《先进陶瓷材料及进展》 第8章 铁电压电陶瓷.ppt

第八章铁电压电陶瓷 8 1压电陶瓷 重点掌握的几个概念 压电效应预极化准同型相界软性取代硬性取代 石英晶体压电模型 a 不受力时 b x轴方向受力 c y轴方向受力 当外力F 0时 压电陶瓷表面存在一层表面电荷 其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等 符号与束缚电荷相反 因而晶体对外不显示电性 在外力F的作用下 压电陶瓷产生形变 晶体的极化强度发生变化 因而表面束缚电荷变化 晶体对外显示电性 压电效应 在压电陶瓷上加上电场 设电场方向与极化方向相同 则晶体的极化加强 晶体沿极化方向伸长 产生了形变 逆压电效应 若加上反向场强 则晶体沿极化方向缩短 若加上交变电场 则晶体产生振动 晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心 所有铁电单晶都具有压电效应 对于铁电陶瓷来说 虽然各晶粒都有较强的压电效应 但由于晶粒和电畴分布无一定规则 各方向几率相同 使 P 0 因而不显示压电效应 故必须经过人工预极化处理 使 P 0 才能对外显示压电效应 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性 所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷 陶瓷的预极化示意图 压电材料分类 压电单晶压电陶瓷压电聚合物压电复合材料 压电陶瓷的晶体结构 1 钙钛矿结构2 钨青铜型结构3 铌酸锂型结构4 铋层状结构 1 钙钛矿结构 ABO3 A 1 2 3Na K Ba2 La3 B 5 4 3Nb5 Ti4 Fe3 2 钨青铜型结构 BO6 氧八面体以顶角相连构成骨架 B离子为Nb Ta W等 BO6 骨架间存在三种空隙 A1 较大 A2 最大 C 最小 氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为B1和B2填满型与非填满型 钨青铜结构在 001 面上的投影 3 铌酸锂型结构 顺电相 铁电相 氧八面体以共面形式重叠Li位于氧八面体的公共面Nb位于氧八面体中心极化时 Li Nb偏离中心位置 沿c轴出现电偶极矩 4 铋层状结构 Bi4Ti3O12 铅基压电陶瓷 1 单元系2 二元系3 三元系 单元系 PbTiO3钙钛矿结构铁电体 Tc高 480 各向异性大 c a 1 063 晶界能高 难以制备致密 机械强度高的陶瓷 矫顽场强较大 预极化困难 提高极化温度有利于极化 但抗电强度下降 易击穿 掺入少量稀土 NiO MnO2等 可促进烧结 晶粒大小与机电耦合系数k有关 BaTiO3系与PbTiO3系压电陶瓷自从1842 1843年之间美 日 苏联学者各自独立发现BaTiO3中存在异常的介电现象 1847年又发现预极化后的BaTiO3陶瓷的压电性能 并制成压电元件用于拾音器 换能器 二战期间 BaTiO3成功用于水声及电声换能器 通讯滤波器上 在很长的一段时间内 BaTiO3陶瓷是主要的压电陶瓷材料 但目前其作用范围在不断缩小 PbNb2O6钨青铜结构Tc高 570 压电系数的各向异性大 d33 d31 10机械品质因素特别低 Q 11 主要用于超声缺陷检测 人体超身诊断及水听器等 铅基二元系压电陶瓷 人们在1853年起开始试制成功PbZrO3 PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷 其各项压电性能和温度稳定性等均大大优于BaTiO3 PbTiO3压电陶瓷 因此得到了广泛的应用 如水声 电声和通讯滤波器件中 下面主要介绍二元系压电陶瓷PZT系陶瓷 PbZrO3 PbTiO3系陶瓷的相结构 PbZrO3和PbTiO3的结构特点比较 PbZrO3PbTiO3结构钙钛矿结构钙钛矿结构Tc 立方顺电 230 正交晶系 480 类别反铁电体铁电体1 1 063 Tc立方顺电相PbZrO3和PbTiO3的结构相同 Zr4 与Ti4 的半径相近 故两者可形成无限固溶体 可表示为Pb ZrxTi1 x O3 简称PZT瓷 PZT瓷的掺杂改性 为了满足不同的使用目的 我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷 为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2 离子或B位的Zr4 Ti4 离子 从而改进材料的性能 a 等价A位取代等价取代是指用Ca2 Sr2 Mg2 等二价离子取代Pb2 结果使PZT瓷的 KP d 从而提高PZT瓷的压电性能 b 软性取代改性 高价缺位取代 所谓 软 是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 因而在电场或应力作用下 材料性质变 软 软性取代采用La3 Bi3 Sb3 等取代A位Pb2 离子或Nb5 Ta5 Sb5 W6 等取代B位的Zr4 Ti4 离子 经取代改性后的PZT瓷性能有如下变化 c 硬性取代改性 低价取代 硬性取代采用K Na 取代A位的Pb2 离子 Fe2 Co2 Mn2 或Fe3 Co3 Mn3 Ni2 Mg2 Al3 Ga3 In3 Cr3 等离子取代B位的Ti4 Zr4 离子 取代后Ec 极化变难 性质变 硬 作用 Ec KP tg Qm 抗老化性 v 硬性添加剂加入后极化困难 只有在高温下预极化 但T 时 v 这就使预极化场强不能太高 从而Ps 这是KP 的一个原因 硬性添加剂加入后形成 由于不可能很多 否则将破坏钙钛矿结构 氧八面体共顶点形成骨架 因而硬性添加剂固溶度有限 多余部分向晶界偏析 可抑制晶粒生长 使晶粒细化 材料致密 从而Qm d软硬兼施PZT中加入W 软 Mn 硬 可使KP Qm 软硬兼优 加Nb2O5 软 Al2O3 硬 软硬抵消 三元系铅基压电陶瓷 a 所谓三元系压电陶瓷 是在PZT的基础上再添加三元 复合钙钛矿型物质 A A B B O3而组成的 在实际大多数多元系压电陶瓷中 A位元素仍是铅 所改变的只是处于八面体中的B位的元素 因此 在钙钛矿结构的三维八面体网中 在相互固溶的情况下 八面体的中心将有四种或更多电价不一定为4的元素 包括Zr和Ti 统计地均匀分布 改变其元素种类与配料 就可