壓電陶瓷的壓電原理及制作工藝

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1、壓電陶瓷壓電原理、應(yīng)用與制作工藝湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院壓電陶瓷技術(shù)研究所周桃生內(nèi)容壓電陶瓷的用途壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷的制作工藝配料預(yù)燒混合和粉碎成型與排塑燒結(jié)極化壓電陶瓷的壓電原理壓電現(xiàn)象與壓電效應(yīng)壓電陶瓷因受力形變而產(chǎn)生電的效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)。壓電陶瓷點火示意圖氣體噴嘴高壓引線壓電振子磷銅片壓電振子外殼叩擊機構(gòu)壓電蜂鳴器壓電陶瓷的壓電原理壓電現(xiàn)象與壓電效應(yīng)壓電陶瓷因加電壓而產(chǎn)生形變的效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)。節(jié)點支承邊緣支承中心支承壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)(壓電陶瓷是多晶體)壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷由小晶粒無規(guī)則鑲嵌成，如圖所示。BSPT壓電陶瓷斷面SEM照片壓電陶

2、瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)(壓電陶瓷是多晶體)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)每個小晶粒微觀上是由原子或離子有規(guī)則排列成晶格，可看為一粒小單晶。原子在空間排列成晶格示意圖壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)(壓電陶瓷是多晶體)每個小晶粒內(nèi)還具有鐵電疇。PZT陶瓷中電疇結(jié)構(gòu)顯微照片壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)(壓電陶瓷是多晶體)整體看來，晶粒與晶粒的晶格方向不一定相同，排列是無規(guī)則的。這樣的結(jié)構(gòu)稱其為多晶體。晶粒的晶格取向示意圖壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)(壓電陶瓷是多晶體)鈣鈦礦型的晶胞結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)(壓電陶瓷的晶胞)壓電陶瓷的晶胞結(jié)構(gòu)隨溫度的變化有所變

3、化。鈦酸鋇晶胞結(jié)構(gòu)隨溫度的轉(zhuǎn)變壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（晶胞與自發(fā)極化）這種電極化不是由外電場產(chǎn)生，而是由晶體自身產(chǎn)生的，所以成為自發(fā)極化，其相變溫度TC稱為居里溫度。BT中自發(fā)極化產(chǎn)生示意圖壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（晶胞與自發(fā)極化）c軸方向決定自發(fā)極化取向能量最低原則決定疇結(jié)構(gòu)晶粒中形成一定的小區(qū)排列狀態(tài)—疇結(jié)構(gòu)晶胞自發(fā)極化取向一致小區(qū)的存在自發(fā)極化取向不一致小區(qū)的搭配晶格匹配要求能量最低要求③相結(jié)構(gòu)決定疇壁類型壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電疇形成）壓電陶瓷的壓電原理因為晶粒為四方相時，自發(fā)極化取向與原反應(yīng)立方相三個晶軸之一平行，所以，相鄰

4、兩個疇中自發(fā)極化方向只能成90°角或180°角，相應(yīng)電疇交界面就分別稱為90°疇壁和180°疇壁。四方相晶體90°疇壁和180疇示意圖壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電疇形成）電疇在外電場作用下的運動a）極化前（b）極化過程（c）極化后壓電陶瓷在極化中電疇變化示意圖壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電疇的運動）在交變電場作用下，因電疇與自發(fā)極化的運動，壓電陶瓷可觀察到電滯回線，即具有鐵電性。圖中，PS為自發(fā)極化強度，Pr為剩余極化強度，EC為矯頑場強。壓電陶瓷極化工序中，一般選擇電場強度為2-3倍的EC。壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電疇與電滯回線）第一次極化以后的極化壓電效

5、應(yīng)的再理解瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附自由電荷示意圖壓電陶瓷的壓電原理正壓電效應(yīng)示意圖瓷片壓縮，極化強度變小，釋放部分吸附自由電荷，出現(xiàn)放電現(xiàn)象。F撤除，瓷片回復(fù)原狀，極化強度變大，吸附一些自由電荷，出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電原理壓電效應(yīng)的再理解逆壓電效應(yīng)示意圖在瓷片上施加與極化方向相同電場。極化強度增大，瓷片發(fā)生伸長形變。反之則發(fā)生縮短形變。這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電原理壓電效應(yīng)的再理解作為介電材料，可用介電系數(shù)ε，介電損耗tgδ，絕緣電阻率ρ和抗電強度Eb等表征。壓電陶瓷的主要參數(shù)作為壓

6、電材料，還必須補充一些參數(shù)：壓電系數(shù)d、g機電耦合系數(shù)k機械品質(zhì)因素Qm頻率系數(shù)N壓電系數(shù)d：單位機械應(yīng)力T所產(chǎn)生的電位移D反映應(yīng)力（應(yīng)變）和電場（電位移）間的關(guān)系壓電陶瓷的主要參數(shù)常用的為橫向壓電系數(shù)d31和縱向壓電系數(shù)d33（腳標第一位數(shù)字表示壓電陶瓷的極化方向；第二位數(shù)字表示機械振動方向）。d=D/T（C/N）（m/V）或：單位電場強度V/x所產(chǎn)生的應(yīng)變△x/x壓電電壓系數(shù)g：單位應(yīng)力T所產(chǎn)生的電場強度E；或單位電荷所產(chǎn)生的形變。（V·m/N）壓電陶瓷的主要參數(shù)d和g在不同的角度反映了材料的壓電性能，d用得較為普遍，g常用于接收型換能器、拾音器，高壓發(fā)生器等場合。

7、機電耦合系數(shù)k或壓電陶瓷的主要參數(shù)kp是壓電材料進行機械能-電能轉(zhuǎn)換的能力反映。它與材料的壓電系數(shù)、ε和彈性常數(shù)等有關(guān)，是一個比較綜合的參數(shù)。機電耦合系數(shù)反映了機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換程度，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因而k總是小于1的。不同材料的k值不同；同種材料由于振動方式不同，k值也不同。常用的有橫向機電耦合系數(shù)k31、縱向機電耦合系數(shù)k33、以及沿圓片的半徑方向振動的平面機電耦合系數(shù)kp（或稱徑向機電耦合系數(shù)kr）。壓電陶瓷的主要參數(shù)Z振動方向Y條狀振子K31（橫向耦機電合系數(shù)）X極化方