压电陶瓷.ppt

PizoelectricCeramics 压电陶瓷 a 低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的 表明长有氧化锌纳米线阵列的纤维 其中一个镀有金 b 高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构 c 多根纤维组成的纤维纳米发电机的串 并连式连接来提高输出电压 电流 纳米发电机夹克 让仓鼠发电 钛酸铋钠及应用 日本发明 发电地板 乘客走过就能发电 日本共同社报道 JR东日本公司将从10日开始在东京站八重洲北口第三次进行 发电地板 试验 本次试验的目标是实现一人通过时产生令100瓦的灯泡发光0 1秒的电力 并希望在不久的将来实现用 发电地板 维持自动检票机在处理IC卡时所需的电力 建筑节能 Bi0 5Na0 5TiO3钙钛矿型晶体 有希望取代铅基压电材料 PerovskiteStructure 1 压电效应及材料2 压电陶瓷的基本参数 结构特点3 压电陶瓷的应用4 典型压电陶瓷材料5 压电陶瓷的制备工艺 与压电效应有关的三个重要概念 极化 Polarization 在电场作用下 电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象 称为电介质的极化 自发极化 SpontaneousPolarization 在无外加电场作用下 在一定温度范围内单位晶胞内正负电荷中心不重合 形成偶极距 呈现极性 120 以下 BaTiO3晶体结构稍有畸变 为四方结构 Ba2 和Ti4 相对于O2 产生了一个位移 结果沿C轴方向正负电荷中心不重合 产生了极化 自发极化 通常把这种转变温度称为居里温度或居里点 Tc 120 到5 自发极化沿C轴 001 方向 铁电陶瓷 FerroelectricCeramics 某些材料在一定温度范围内具有自发极化 而且其自发极化可以因外电场的作用而转向 材料的这种特性称为铁电性 具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷 铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域 那些自发极化方向相同的区域称为电畴 黑色粗线为畴壁 对于自发极化而言 从宏观统计来看 晶体中存在着各个方向的自发极化 它们相互抵消 宏观上对外不呈现极性 压电陶瓷所以具有压电效应 是由于陶瓷内部存在自发极化 这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后 陶瓷内即存在剩余极化强度 如果外界的作用 如压力或电场的作用 能使此极化强度发生变化 陶瓷就出现压电效应 1 压电效应及材料 1 1压电效应对某些晶体施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移 产生极化 从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷 在一定应力范围内 机械力与电荷呈线性可逆关系 这种现象称为正压电效应 压 电 逆压电效应 当在晶体上施加电场时 由于电场的作用会引起介质内部正负电荷中心位移 而这一位移又使介质发生形变 在一定电场强度范围内 电场强度与形变呈线性可逆关系 这种效应称为逆压电效应 压电效应的本质 机械作用引起介质极化晶体中离子电荷的位移 当不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的 所以其内部电场为零 但当给晶体施加应力则电荷发生位移 如果电荷分布不在保持对称就会出现净极化 并将伴随产生一个电场 这个电场就表现为压电效应 a 不受外力 b 沿X方向的压力 c 沿X方向的拉力 逆压电效应的本质 电场作用引起介质极化 1 2压电材料 1 压电晶体石英 SiO2 J 居里和P 居里兄弟于1880年发现的 性能稳定 但价格高 一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中 酒石酸钾纳 在常温下有压电性 技术上有使用价值 但有易溶解的缺点 磷酸铵低于 148 下才有压电性 工程使用价值不大 2 聚合物PVF2 聚二氟乙烯 并非所有的陶瓷都具有压电效应 作为压电陶瓷的原材料 在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体 如氧化铅 氧化锆 氧化钛 碳酸钡 氧化铌 氧化镁 氧化锌等 在32种点群的晶体中 只有20种非中心对称点群的晶体才有压电效应 将这些原材料在高温下致密烧结 制成陶瓷 并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理 才能成为压电陶瓷 常用的压电陶瓷有钛酸钡 钛酸铅 锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等 3 压电陶瓷 压电陶瓷材料的研究历程1942年 第一个压电陶瓷材料 钛酸钡 BaTiO3 先后在美国 前苏联和日本制成 但其压电性随温度变化较大 1954年美国B 贾菲等人 发现了压电PbZrO3 PbTiO3 PZT 固溶体系统 优点 非常强与稳定的压电性能在1970年后 添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优良的性能 已经用来制造滤波器 换能器 变压器等随着电子工业的发展 对压电材料与器件的要求就越来越高了 二元系PZT已经满足不了使用要求 于是研究和开发性能更加优越的三元 四元甚至五元压电材料 2 压电陶瓷的特性参数 结构特点 介电系数 损耗角tg 电阻率 击穿强度Ej2 1 压电系数d d d D Td S E石英 2 3BaTiO3 190PZT 410 压电常数是反映力学量 应力或应变 与电学量 电位移或电场 间相互耦合的线性响应系数 当沿压电陶瓷的极化方向 z轴 施加压应力T3时 在电极面上产生电荷 则有以下关系式 式中d33为压电常数 足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向 第二个数字指应力或应变方向 T3为应力 D3为电位移 它是压电介质把机械能 或电能 转换为电能 或机械能 的比例常数 反映了应力 T 应变 S 电场 E 或电位移 D 之间的联系 直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱 从而引出了压电方程 常见的压电常数有四种 dij gij eij hij 分别为压电电荷系数 压电电压系数 压电应力系数 压电劲度系数 2 2 机电耦合系数K 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量 是压电材料进行机 电能量转换能力的反映 机电耦合系数的定义是 或 压电陶瓷振子 具有一定形状 大小和被覆工作电极的压电陶瓷体 的机械能与其形状和振动模式有关 不同的振动模式将有相应的机电耦合系数 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp 平面耦合系数 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31 横向耦合系数 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33 纵向耦合系数 等 它是压电材料进行机 电能量转换的能力反映 它与材料的压电常数 介电常数和弹性常数等参数有关 是一个比较综合性的参数 其值总是小于1 压电陶瓷是机电耦合系数最大的一种材料 0 50 0 80 2 3 机械品质因数Qm 压电陶瓷在振动时 为了克服内摩擦需要消耗能量 机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数 Qm越大 能量消耗越小 机械品质因数Qm的定义式是 其中 fr为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗Zmin 谐振电阻 C0为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容 机械品质因数越大 能量损耗越小压电陶瓷Qm 50 3000 2 4压电陶瓷结构 结构特点 单位晶胞正电荷中心与负电荷中心不在相同位置 形成净电偶极距 polarization 常见晶体结构 钙钛矿结构 perovskite 例如锆钛酸铅 PZT 钛酸铅 PT 钛酸钡 BaTiO3 压电陶瓷内部晶体排列凌乱 需加电压处理 poling 后 使晶体排列一致 在居里温度以下才会具有压电性 钙钛矿结构 PerovskiteStructure PZT未加电压时 PZT加上电压时内部离子运动 3 压电陶瓷的应用 压电陶瓷的应用范围非常广泛 上至宇宙开发 下至家庭生活 大致可归纳为以下四方面 1 能量转换 2 传感器 3 驱动 马达 4 频率控制 振荡器 滤波器压电陶瓷虽然是新材料 却颇具平民性 它用于高科技 但更多地是在生活中为人们眼务 创造美好的生活 3 1 压电点火元件当你在点燃煤气灶或热水器时 用户按下点火装置的弹簧时 传动装置就把压力施加在压电陶瓷上 使它产生很高的电压 进而将电能引向燃气的出口放电 于是 燃气就被电火花点燃了 压电点火 V gFh A A 圆柱体截面积 h 圆柱体高度 g 压电电压常数 压电点火陶瓷柱点火器 压电点火原理 高压产生 电极放电 点燃气体 V gh FA g 压电电压常数 h 圆柱体高度 F 作用力A 受力圆柱体截面积 应用举例 煤气灶中 两个直径3毫米 高5毫米的压电陶瓷柱取代了普通的火石打火机中 采用直径为2 5毫米 高度为4毫米的压电陶瓷 就可得到10 20千伏的高电压引燃引爆 高压警棒 小型电源压电陶瓷点火的优点 10年寿命 半永久性 不用维修 3 2 压电振荡器和滤波器 高Qm 原理 压电振子的谐振特性 作用在压电陶瓷上的交变电压会产生一定频率的机械振动 在一般情况下 这种机械振动的振幅很小 压电振荡器原理 当外加电压的频率与压电陶瓷的固有机械振动频率相同时 就会引起共振 使振幅大大增加 这时 外加电场通过逆压电效应产生应变 而应变又通过正压电效应产生电流 电能和机械能最大限度地互相转换 形成振荡 滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频率 压电陶瓷滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应 在同样的电压作用下 只有在共振频率时通过压电陶瓷的电流最大 振子阻抗最小 压电振子对最小阻抗频率附近的信号衰减很小 从而起到滤波作用 谐振和滤波器要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数Qm 广泛用于家用电器 电脑及其他产品的频率控制部分 有插脚和贴片两种规格 压电滤波器原理 压电陶瓷制造的振荡器和滤波器的优点 频率稳定性好精度高适用频率范围宽而且体积小不吸潮 寿命长特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性 所以目前已取代了相当大一部分电磁振荡器和电磁滤波器 3 3 压电超声换能器 1 压电超声医疗仪 B型超声诊断仪 这种诊断仪中有用压电陶瓷制成的超声波发生探头 它发出的超声波在人体内传输 体内各种不同组织对超声波有不同的反射和透射作用 超声压电振子 压电超声治疗 物质在超声能量的作用下 其物理 化学或生物特性都将发生变化 其机理归结为超声在物质中传播时产生的诸如力学 热学 化学特性都将发生变化 进入人体的超声波达到某一强度时 能使人体某一部分组织发热 轻微振动 起到按摩推拿作用 达到治疗的目的 如用于治疗关节 肌肉及其他软组织的创伤和劳损 此外 还可用超声波粉碎体内结石 如胆结石 肾结石 尿路结石等 2 压电超声马达 世界上最小的马达 电机 重36mg 长5mm 直径1mm 可作为人造心脏的驱动器 原理 当给定子加上电之后 由于逆压电效应 定子表面就会产生超声振动 由于定子和转子之间的摩擦力的作用 转子也会跟着运动起来 优点 结构简单 启动快 体积小 无电磁干扰 压电陶瓷驱动器 压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小 最多不超过本身尺寸的千万分之一 别小看这微小的变化 基于这个原理制做的精确控制机构 压电驱动器 对于精密仪器和机械的控制 微电子技术 生物工程等领域都是一大福音 据报道 88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50 m的位移 响应速度之快是其它材料所无法比拟的 是高精度 高速驱动器所必须的材料 已应用在各种跟踪系统 自适应光学系统 照相机自动聚焦 机器人微定位器 磁头 喷墨打印机和扬声器等 3 超声波清洗 超声波以每秒数万次高速震荡在液体中传导 推动介质的作用 使液体之分子间产生压力变化 造成空化效应 这种无数微小的真空气泡在震荡受压破裂时 产生强大的冲击力 将清洗物之表面及细缝死角之污物剥离 达到彻底洗净之功能 4 压电超声雾化器 无需对液体加热 就可以把液体雾化成1 3um的颗粒 空气湿度调节器 盆景装饰 各种喷泉水池 医疗仪器 水族设计 舞台设备 超声雾化原理 超声波加湿器制雾机芯 超声波换能器 用压电陶瓷把电能转换成超声振动 可以用来探寻水下鱼群的位置和形状 水下耳朵 对金属进行无损探伤 以及超声清洗 超声医疗 还可以做成各种超声切割器 焊接装置及烙铁 对塑料甚至金属进行加工 3 4 压电蜂鸣器 利用逆压电效应 压电蜂鸣片由压电陶瓷片和金属振动板粘粘而成 由振荡电路激励 通过逆压电效应 压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动 当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响 通过电子线路的控制 就可产生不同频率的振动 从而发出不同的声音 蜂鸣器最早用在电子玩具上 现在还被用于消防车 救护车 保险柜等处作为报警器 压电蜂鸣片压电蜂鸣器