《压电功能材料》PPT课件

第四章压电材料与应用,自动点火煤气灶超声按摩器美容B超仪水中打捞、无损检测、石油开采,B超探头用高性能压电陶瓷晶片,主要用途：高档医用B超探头材料性能：介电常数可高达5000、6000、7000系列,压电陶瓷特性之一是力电特性，有力作用就产生电。力有多种形式，可以说力是无处不有、无时不有。风力每时每刻有，海浪汹涌时时刻刻有，海浪拍打海岸更是力量无比。地面上，火车沿铁轨奔驰，地铁、轻轨机车沿轨道行驶，时时刻刻产生巨大的力。汽车行驶，人们步行都产生力。所有这些力都是无价的。如果能把这些无价力与压电陶瓷的力电特性挂起钩来，必然会产生有用的电。对此，让我们期待吧！,一、概述在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二氢钾盐，具有压电性。在1940年后，发现了BaTiO3是一种铁电体，具有强的压电效应。是压电材料发展的一个飞跃。在1950年后，发现了压电PZT体系，具有非常强和稳定的压电效应，具有重大实际意义的进展。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。,二、压电效应压电效应产生的根源是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，如果电荷分布不再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。,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。,一、压电效应,1、正（顺）压电效应,2、逆压电效应（电致伸缩）,三、压电性能,1、压电系数d33,压电系数是反映力学量（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为压电系数，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。,压电系数或压电常数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。,压电系数或压电常数:衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。,2、机电耦合系数Kp,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。,机电耦合系数（Kp）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。,Kp,K33,Kt,K15,K31,3、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,4、弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。5、介电常数6、介电损耗,四、压电陶瓷的压电现象,人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体,未极化前：不具压电性,撤销外电场,对外不呈极性,正压电效应：,受力方向不同，引起压电晶体切片的不同变形，可在不同表面上测得电荷实用压电效应有三种类型(见上图)虚线表示压电晶体切片的原始形状实线表示压电晶体切片的受力变形后的形状图(a)是纵向压电效应，压电片在x方向上受正向应力变形后在垂直于x方向的平面上产生电荷图(b)是横向压电效应，压电片在y方向上受正向应力则它还在垂直于x方向的平面上产生电荷图(c)是切向压电效应，压电片在y方向上受切向应力则在垂直于x方向的平面上产生电荷,压电陶瓷的压电效应压电陶瓷属于铁电体物质，是一种人造的多晶体压电材料。它由无数细微的电畴组成。在无外电场时，各电畴杂乱分布，其极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电特性。只有在一定的高温(100170)下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度，当沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q与力F成正比，即,Q=d33F,（4-3）,式中，d33称为纵向压电系数，可达几十至数百。实用的压电陶瓷片的结构形式与压电极性如图4-3所示。三角牌压电陶瓷片的特性见表4-2。,图4-3压电陶瓷片,压电陶瓷的极化工艺,极化工艺是指在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。只有经过极化工艺处理的陶瓷，才能够显示压电效应。,1极化电场,极化电场是极化工艺中最主要的因素，极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化越充分，一般以Kp达到最大值的电场为极化电场。极化电场必须大于样品的矫顽场，通常为矫顽场的23倍，以常见的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷为例，其矫顽场一般为8001200V/mm，极化电场一般取20003000V/mm。,3极化温度,在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列容易，极化效果好。温度过高，陶瓷的电阻率越小，耐压强度降低，由于高电场作用导致陶瓷体击穿，损坏压电陶瓷。常用压电陶瓷材料的极化温度一般为50150。,2极化时间,外加电场后，极化初期主要是陶瓷内部180电畴的反转，之后是90电畴的转向，而90电畴的转向会由于内应力的阻碍而较难进行，因此适当延长极化时间，电畴取向排列的程度高，极化效果好。一般极化时间为10min50min。,极化电场、极化时间和极化温度三者必须综合考虑，它们之间互有影响，应通过实验最终确定最佳极化工艺参数。,PZT材料结构特征,PZT是典型的钙钛矿型结构，化学通式为ABO3这些含氧八面体的铁电氧化物的自发极化主要来源于B位离子偏离氧八面体中心的位移,PZT未加电压时,PZT加上电压时之內部离子运动,O2,Pb,压电陶瓷的制造工艺,工艺：原料配料球磨预烧烧成被银极化检测（1）原料对性能的影响原料的纯度和所处的状态对压电陶瓷材料的性能有极大的影响。同一配方，使用不同出处的原料可能得到不同性能的陶瓷，因此根据杂质对性能的影响，一般来说，配料中用量大的原料，要求纯度高些，要求达98%以上。而用量很小的添加剂，即使纯度低些也不致引入较多的杂质。,（2）合成条件对性能的影响预烧的主要目的是为了使化学反应充分进行，合成钙钛矿型结构的主晶相。500600：未反应600700：PbO+TiO2PbTiO3700750：PbTiO3+PbO+TiO2Pb（Zr1-XTiX）O3750800：PbTiO3+Pb（Zr1-XTiX）O3Pb（Zr0.5Ti0.5）O3,（3）烧成条件对性能的影响A温度和时间B组成对烧结的影响添加剂对烧结的影响：“软性”添加剂可以促进烧结；“硬性”添加剂使烧结不易进行；晶格畸变对烧结有利；液相烧结可以促进烧结,（4）极化程度对性能的影响压电陶瓷材料必须经过极化之后才具有压电性能。极化就是在直流电场的作用下使铁电畴沿电场方向取向。同一配方，如极化条件不同，极化进行的程度不同，材料的性能指标可以相差很大。一般随着极化程度的提高，d33、Kp增加。介电损耗随着极化程度的提高而降低。Qm随极化程度的提高而升高。,高分子压电材料（PVDF）PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度、声和无损检测等领域。尤其在医学中，由于它与人体声阻抗十分接近，无需阻抗变换，且便于和人体贴紧接触、安全舒适、灵敏度高、频带宽，故广泛用作脉搏计、血压计、起搏计、生理移植和胎心音探测器等传感元件。PVDF有很好的柔性和加工性能，可制成有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适于做大面积的传感阵列器件。PVDF分子结构链中有氟原子，使其化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低，并具有良好的热稳定性。,五、石英晶体的压电特性,居里点573，六角晶系结构,光轴,电轴,机械轴,x轴方向受力：压力,x轴方向受力：拉力,y轴方向受力：压力,y轴方向受力：拉力,石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。,六、压电材料与应用,常用压电材料,表6-1常用压电材料性能参数,具有压电效应的材料称为压电材料压电晶体，即：天然的单晶体，如天然石英晶体等压电陶瓷，即：人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅(简称PZT)等有机聚合物的铁电体加工而成的压电薄膜是一种柔性薄膜压电新材料，常用的有：聚偏氟乙烯(PVF2)等适于特殊表面形状上的测力，是一种很有前途的压电材料天然晶体性能稳定、机械性能好；人造晶体的灵敏度较高应用领域不同压电陶瓷和压电薄膜等人造压电材料需作极化处理后才具有压电性能人造压电材料在高压电场下放置数小时，使内部晶体整齐排列只有通过极化处理，这种材料才能实际应用,压电陶瓷1、钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,4、压电半导体材料如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,3、压电聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2PZT)。,压电材料一般应考虑以下主要特性：1)具有较大的压电常数。2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3)具有高的电阻率和较大的介电常数。4)具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。5)压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。,右图是压电式力传感器的结构图为提高传感器的灵敏度往往采用两片压电晶体片对放被测力作用在弹性顶盖上，直接传递到压电片上,压电传感器,压电片受力变形产生电荷，由引线输出输出的电荷大小反映了作用力数值,右图是三向力传感器，它可分别测出x，y，z三个方向分量的合成力内部含有感知三个方向力的压电片元件(图a)每一方向有两片敏感压电片为了能分别感知3个方向的分力，三组压电片利用了两种不同的压电效应利用横向或纵向压电效应感受z方向正压力利用剪切压电效应感受x和y方向侧向压力三对压电片电荷分别反映三个方向力的分量,压电传感器,例1：水深测量仪,例2：压电式血