功能陶瓷之三

1,电功能陶瓷,之压电陶瓷,学院：材料科学与工程,2,压电陶瓷,目前应用最广泛的压电陶瓷都属于钙钛矿（CaTiO3）结构，例如BaTiO3、PbTiO3、Pb(ZrxTi1-x)O3、KxNa1-xNbO3等等。,化学分子式形式相同，ABO3。A电价可为二价（Ba2、Pb2）、一价（K）；B可为四价（Ti4、Zr4）、五价（Nb5）。相应的离子在晶胞中排列位置相同。A离子六面体顶角，氧离子六面体面心，B离子六面体中心。,3,A与O离子形成密堆积，B离子位于氧八面体间隙,钙钛矿结构,4,钙钛矿结构,5,压电效应,当某些晶体受到应力作用时，晶体的极化发生改变，在它们的某些表面上出现电荷，且极化的改变量或电荷密度与应力成正比，这种现象叫正压电效应，或简称压电效应。反之，当晶体受到电场作用时，在它的某些方向上出现应变，且应变与电场强度成正比，这种现象叫逆压电效应。压电效应是弹性和介电性之间的耦合效应。压电效应要求晶体结构没有对称中心。,6,经过极化处理后，陶瓷片内极化强度不再为0。但是不管用多精密的电压表，都无法测出陶瓷片内存在的极化强度。,7,正压电效应,如果在陶瓷片上加一与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变，片中正负电荷距离变小，极化强度也变小，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放出来而出现放电现象。,当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，正负电荷之间距离变大，极化强度也变大，因此电极上有吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由于机械效应转变为电效应，或者说由机械能变为电能的现象，就是正压电效应。,8,逆压电效应,如果在陶瓷片上加一与极化方向相同的电场，由于电场方向与极化强度方向相同，所以电场的作用使极化强度增大，陶瓷片内正负电荷荷距离也增大，即，陶瓷片沿极化方向产生伸长的形变。,同理，如果外加电场方向与极化方向相反，陶瓷片将沿极化方向产生收缩的形变。,这种由于电效应转变为机械效应，或者说由电能变为机械能的现象，就是逆压电效应。,9,PbTiO3,钛酸铅在制作高频滤波器和红外热稀电探测器方面具有独特的优越性。,高居里温度490,10,PbTiO3陶瓷烧结,纯PbTiO3陶瓷很难烧结，因为其晶界能高，当样品冷却通过居里点时，会因为内应力作用容易自形粉碎。但添加少量杂质后，可以有效降低晶界能，从而烧成致密性好的陶瓷。,例如：添加少量（12.5mol%）Li2CO3、NiO、Fe2O3和MnO2均能获得致密度高达97以上的陶瓷，杂质对晶粒大小也有影响，可以抑制晶粒长大。但这些添加剂对钛酸铅晶格没有显著影响，只是如Fe、Bi、W等氧化物加入，使晶格c/a值降低。添加剂部分溶入晶格中，其他在晶界析出，增加了晶粒之间结合力。,11,PbTiO3陶瓷极化,钛酸铅人工极化效果受极化温度影响大，室温时即使极化电场很高，机械耦合常数k仍然很小，但是温度提高到200以上，改善k的效果也不显著，反而因为电阻率降低而容易击穿。通常采取的极化条件为200，60KV/cm，10min左右。,12,机械耦合常数受晶粒尺寸影响很大。大的晶粒可以减少极化过程中晶界上产生的应力，故大晶粒样品容易极化且具有较大的耦合常数。,13,锆钛酸铅,锆钛酸铅陶瓷（PZT）属于钙钛矿结构的固溶体，二元体系的压电陶瓷。位于晶胞中心的离子可以是钛，也可以是锆，因此存在一个ZrTi百分比的问题。百分比不同，结构和压电性能不同。PZT陶瓷的压电性大约比BaTiO3大两倍，而且在55200范围内无晶相转变，从而取代BaTiO3成为压电陶瓷的主要研究对象。,14,复合型,相界附近，其压电性和铁电性均增强。二元体系中，类质异晶相界是一个点，而三元体系中，则是一条线，从而可从容调整组分。,15,压电陶瓷烧结,原料预烧,烧结过程：（1）有效添加剂（2）注意PbO的挥发,16,压电陶瓷极化,极化后材料，由于形成大量畴壁，对裂纹扩展产生阻碍，因此可改善材料的力学性能。,17,性能改善,18,压电陶瓷应用,19,电功能陶瓷,之热释电陶瓷,20,热释电效应,除因机械应力的作用引起电极化（压电效应）外，某些晶体中还可以由于温度变化而产生电极化。这种介质因温度变化引起表面电荷变化的现象称为热释电效应。晶体具有热释电效应的必要条件是自发极化，这一点和压电晶体相同。但具有压电性的晶体不一定具有热释电性。压电效应发生时，机械力可以沿一定方向作用，由此引起正负电荷中心的相对位移，在不同方向上一般是不等的；而晶体在均匀受热时的膨胀却是在各个方向上同时发生的，相互对称的方向上必定有相等的膨胀系数。,21,当一束调制光照射到热释电陶瓷时，晶体自发极化强度Ps随温度T的变化(dPs/dT)引起了晶体表面电荷的变化，于是在与晶体相连接的负载电阻Rs上产生了电压信号V,为了得到高灵敏度，就需要dPs/dT值尽可能大，而在居里温度附近，热释电效应最大，所以，一般热释电材料工作温度略低于相变温度。,22,热释电陶瓷,热释电陶瓷的最主要应用是热释电探测器，其工作过程为：,接收辐射（红外）产生温升由于温升