压电性能及其应用课件

1、书上8.5 压电性,8.3介电材料的 压电性能及其应用,1,压电性能及其应用,压电材料的发展及其应用,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(钛酸锆酸铅)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,2,压电性能及其应用,压电材料的发展及其应用,3,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

2、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、四元甚至五元系压电材料,3,压电性能及其应用,2012-4-19wzhuo 4,4,压电性能及其应用,今天 ：氧化铅含量高达68-70的PZT-钛 酸锆酸铅仍在大量使用,5,压电性能及其应用,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。见（P.350）图8-5-1,8.5.1压电效应

3、（P.350,6,压电性能及其应用,wzhuo,7,压电性能及其应用,离子电荷的位移,8,压电性能及其应用,产生压电效应的必要条件,产生压电效应的必要条件是： ： 晶体的非中心对称性 ： 晶体没有对称中心,9,压电性能及其应用,电介质材料分类,10,压电性能及其应用,压电-热释电-铁电与 点群中的对称中心,在32个点群中有： 1.没有对称中心的点群：21种 ： 其中20种具有压电性， ： 仅有432点群（点群的国际符号）没有压电性。 2.具有对称中心的点群：11种，没有压电性,11,压电性能及其应用,压电陶瓷,piezoelectric ceramics,压电陶瓷： 是指经直流高压极化后， 具

4、有压电效应的铁电陶瓷材料,12,压电性能及其应用,正压电效应,机-电转换,晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚 电荷， ： 其电荷密度大小与施加外力大小成线性关 系， ： 这种由机械效应转换成电效应的过程称为 正压电效应,13,压电性能及其应用,8.5.2压电性表征（P.351,8.5.2.1 压电常数d ： 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,14,压电性能及其应用,电极化的一个分量因该由压电常数的九个 分量来表述（三阶张量），如,15,压电性能及其应用,经过座标变换可以简化为压电常数由六个 分量来描述（二阶张量） 即正压电效应中压电常数d

5、33的简化矩阵 表示（二阶张量,16,压电性能及其应用,逆压电效应,电-机转换,晶体在受到外电场激励下产生形变，且 二者之间呈线性关系，这种由电效应转 换成机械效应的过程称为逆压电效应,力形变电压 ： 电压形变,正压电效应 逆压电效应,17,压电性能及其应用,逆压电效应d33的简化矩阵表示为 （二阶张量,18,压电性能及其应用,压电常数之d33,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： D3 d33T3 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,19,压电性能及其

6、应用,适用于各类电介质,D = 0E+P0E0E（1）0E, 令（1）0 0r,则有D = E,仅适用于各向同性线性电介质,电介质的物理参数 一、基本介电关系 基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度,之间的关系为: D = 0E+P,和r分别为电介质的介电常数和相对介电常数,回顾：8.2 材料的介电性,20,压电性能及其应用,电位移矢量与电场强度和电极化强度之间的关系为,D = 0E+P,适用于各类电介质,D = 0E+P0E0E（1）0E, 令（1）0 0r,则有D = E,仅适用于各向同性线性电介质,基本介电关系,21,压电性能及其应用,d33是压电介质把机械能（或电能）转换为电 能

7、（或机械能）的比例常数。 d33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,22,压电性能及其应用,电极化的一个分量将由压电常数的九个分 量来表述（二阶张量,23,压电性能及其应用,压电常数d33的简化矩阵表示 （二阶张量,24,压电性能及其应用,压电效应的矩阵表示为,Di = dij Tj ：Sj = dijTEi,8-5-4,8-5-4,其中： dijT 为dij 的转秩矩阵,25,压电性能及其应用,8.5.2.2机电耦合系数（P.3

8、51）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如下,26,压电性能及其应用,转换时输入的总电能,通过逆压电效应转换所得的机械能,K 2,转换时输入的总机械能,通过正压电效应转换所 得的电能,K 2,或,机电耦合系数的定义是,27,压电性能及其应用,机械能与压电振子形状和振动模式有关,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

9、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,28,压电性能及其应用,机电耦合系数K,机电耦合系数K ： 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1,29,压电性能及其应用,Kt Kp,K33 K15 K31,30,压电性能及其应用,8.5.3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,31,压电性能及其应用,机械品质因数Qm的定义式是,

10、2 谐振时振子储存的机械能 每一谐振周期振子所消耗的机械能,m,Q,2,C)(f,2 f r R ( C 0,2,1,2,r,a,a,m,f,f,Q,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,32,压电性能及其应用,8.5.4 压电材料的极化工艺,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,33,压电性能及其应用,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

11、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。 ： 极化电场一般取20003000V/mm。 ： NBT （Bi1/2Na1/2TiO3）：2000-10000V/mm,34,压电性能及其应用,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 压电陶瓷为例，其矫顽场一般为800 1200V/mm,35,压电性能及其应用,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：105

12、0 min,36,压电性能及其应用,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。 ： 然而，温度越高，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,37,压电性能及其应用,3 ） 极化温度 ：常用压电陶瓷材料的极化温度： 一般为50150。 ：前沿压电陶瓷材料（Bi1/2Na1/2TiO3） NBT ：80 （如何加热,38,压电性能及其应用,极化条件的综合考虑,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,39,压电性能及其应用,8.5.5压电材料与应

13、用 （自学,40,压电性能及其应用,一元系压电陶瓷,41,压电性能及其应用,二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷,因此，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,42,压电性能及其应用,在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多,由于相界处PZT瓷的Tc高(360)，因而在200以内,KP和 都很稳定，是理想的压电材料。 PZT陶瓷的掺杂改性 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+

14、离子，从而改进材料的性能,异价取代,等价取代,其它取代改性,软性取代改性 硬性取代改性,PZT掺杂改性,43,压电性能及其应用,等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等半径较Pb2+ 离子小的二价离 子取代Pb2+ 离子，结果使PZT陶瓷的介电常数增大，机电耦合系 数KP增大,压电常数d增大,从而提高PZT瓷的压电性能。 2）异价取代 2.1软性取代改性 所谓“软性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 减小 ，极化容易，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。 （a）La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb+2离子（施主掺杂）； （b）Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6

15、+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子（施主掺杂）。 经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化： 矫顽场强EC 减小，机械品质因数Qm减小； 介电常数增加，介电损耗tan增加,机电耦合系数KP增加, 抗老化性增加，绝缘电阻率增加,1）等价取代,44,压电性能及其应用,2.2其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后,软性,K P 抗老化性,v,在PZT陶瓷中加入 Cr2O3后,硬性,m,c,E Q,硬性,K,Q,P,m,软性,抗老化性,tan,45,压电性能及其应用,多元系Pb(TiZr)O3压电陶瓷 一些性能往往是互相克

16、制的，如： Qm增加 ，则KP减小 ； 增加，则tan增大； KP增加 ，则热稳定性,46,压电性能及其应用,国内比较常见的PZT瓷料的性能KP=0.10 0.40，Qm=5003600 ,具有比较宽的覆盖范 围，能满足一般压电器件的要求，但这些性 能都不是最佳值。 ：1965年以来，人们通过在PZT的基础上再 固溶另一种组分更复杂的复合钙钛矿化合物 Pb(B1B2)O3而形成的： ： 三元系、四元系甚至五元系压电陶瓷以获得 更好的压电性能,47,压电性能及其应用,三元系 压电陶瓷,四元系 压电陶瓷,五元系 压电陶瓷,Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn

17、1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3,Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3,48,压电性能及其应用,B：常见的体系,Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb（Mg1/3Ta2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb（Ni1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb（Mn1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb（Mn1/3Sb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb（Zn1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3,49,

18、压电性能及其应用,一、含铅压电材料,50,压电性能及其应用,铌镁酸铅系,0.375Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.375PbTiO3- 0.25PbZrO3 加入0.5%NiO,Kp 从0.5 到 0.64； 加入0.5%MnO2,Qm从73到1640,还可以改善频率常 数的温度、老化性； 同时加入NiO、MnO2 ，Kp 和Qm可以得到改善； 若一部分铅被Sr或Ba取代，可以减少铅的挥发使烧 结变得容易，并提高绝缘电阻和介电常数，进一步 提高Kp值,51,压电性能及其应用,铌锌酸铅系,Pb（Zn1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 此系统的特点是致密度高、绝缘性能优良，压

19、电性能 好。 如0.25Pb（Zn1/3Nb2/3）O3-0.30PbTiO3- 0.45PbZrO3+1.2%MnCO3 Kp=0.35,Qm=35004000,=9001000,频率温度 稳定性良好。在同时引入NiO，可以进一步提高Kp 值及温度稳定性， 适合制作滤波器及换能器,52,压电性能及其应用,锑锰酸铅系,Pb（Mn1/3Sb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 ： 此特点是Kp值和Qm可以同时达到较高的值，介电 损耗小，致密度好。如果用碱土金属离子置换一部 分铅，并添加一些改性杂质，可以进一步提高压电 性能，并获得稳定性良好的材料。例如 Pb0.98Sr0.02(Mn1/3S

20、b2/3)0.05 (Zr0.48Ti0.47)O3+0.2重量 %CeO2，Kp=0.64,Qm=2826,此系统配方 ：可用于宽带滤波器及高压发生器,53,压电性能及其应用,铌锰酸铅系,Pb（Mn1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 ： 此系统的特点是Qm较高，Kp值中等，介电常数 较低，时间温度稳定性好。 ：可作延迟线的压电换能器振子,54,压电性能及其应用,锑锂酸铅系,Pb（Li1/2Sb1/2）O3-PbTiO3-PbZrO3 ： 此系统的特点是Kp值可达80%，但 Qm较低。 在未加其它改性添加剂时是典型的软性材料。 作为接收型材料，灵敏度较高。 ：可用作接收型换能器

21、材料,55,压电性能及其应用,钨镉酸铅系,0.15Pb（Cd1/2W1/2）O3-0.45PbTiO3- 0.40PbZrO3+2.0%Sb2O5,此配方Kp值可达70%， Qm=918，=1381。频 率稳定性和时间稳定性都很好。当加入适量改性 添加剂时，Kp和Qm值能进一步提高,56,压电性能及其应用,钨锰酸铅系,Pb（Mn2/3W1/3）O3-PbTiO3-PbZrO3 ： 此体系的特点Kp值可达70%， Qm=2000， 耐击穿电压高，谐振频率温度稳定性好。 ：可用于滤波器振子及超声振子,57,压电性能及其应用,二、无铅压电材料,迄今为止，无铅压电陶瓷体系有： ： 1. BaTiO3基

22、无铅压电陶瓷； ： 2. Na1/2Bi1/2TiO3（NBT）基无铅压电陶 瓷； ： 3. 铌酸盐系无铅压电陶瓷； ： 4. 铋层状结构压电陶瓷,58,压电性能及其应用,二、无铅压电材料,具体为：（1） BaTiO3基无铅压电陶瓷 a（1-x） BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca 等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等） b （1-x） BaTiO3-xAIBIIO3 （AI=K、Na， BII=Nb、Ta,c（1-x） BaTiO3-xAII,0.5,NbO（AII=Ca,3,Sr、Ba,59,压电性能及其应用,二、无铅压电材料,2） Bi1/2Na1/2TiO3基无铅压电陶瓷 a (1-

23、x)BNT-xBi0.5K0.5TiO3 b (1-x)BNT-xATiO3(A=Ba、Sr、Ca或由它 们组成的复合离子） c (1-x)BNT-xAINbO3（AI=K、Li、Na） d (1-x)BNT-xAIBIIO3（AI=Bi、La；BII=Cr、 Fe、Sc、Mn） e (1-x)BNT-xBaTiO3-yBiFeO3,60,压电性能及其应用,二、无铅压电陶瓷材料,3）NaNbO3基无铅压电陶瓷 a（1-x）NaNbO3-xAINb2O6 b （1-x）NaNbO3-xAITiO3 （4）铋层状结构压电陶瓷 aBi4Ti3O12基无铅压电陶瓷 bMBi4Ti4O15基无铅压电陶瓷

24、 c MBi2Nb2O9基无铅压电陶瓷（M=Sr、Ca、Ba、 Na0.5Bi0.5等) d复合铋层状结构压电陶瓷,61,压电性能及其应用,二、无铅压电陶瓷材料,5)钨青铜结构无铅压电陶瓷 a(SrxBa1-x)Nb2O6基无铅压电陶瓷 b(AxSr1-x)NaNb5O15基无铅压电陶瓷(A=Ba、 Ca、Mg等） cBa2AgNb5O15基无铅压电陶瓷,62,压电性能及其应用,三、 压电陶瓷的制造工艺,工艺,原料 烧成,配料 被银,球磨 极化,预烧 检测,63,压电性能及其应用,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

25、得到 不同性能的陶瓷，因此根据杂质对性能 的影响,64,压电性能及其应用,原料纯度,一般来说，配料中用量大的原料，要求纯度高 些，本科实验要求达98%以上， 研究级99.9%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,65,压电性能及其应用,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+TiO2,PbTiO3,700750：PbTiO3+PbO+TiO2 Pb（Zr1-XTiX）O3 750800：PbTiO3+ Pb（Zr1-XTiX）O3 Pb（Zr0.5Ti0.5）O3,66

26、,压电性能及其应用,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,67,压电性能及其应用,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,68,压电性能及其应用,压电陶瓷材料的应用,1、在水声技术中的应用（声纳） 发射换能器：用硬性材料； 接收换能器：软性材料 2、在超声技术中的应用 3、在高电压发生装置上的应用 4、在滤波器上的应用（电视机，红外探测器） 5、在电声设备上的应用（发烧友所用专业音响,69,压电性能及其应用,压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生 活中的每个角落。 ： 如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电 点火器； ： 电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电 话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器,70,压电性能及其应用,银行、商店、超净厂房和安全保密场所 的管理以及侦察、