特种陶瓷七功能陶瓷1全解演示教学

1、特种陶瓷七功能陶瓷12015全解在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将力成比例的介质极化，同时在晶体两端将。在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。成比例的变形或机械应力。 +-1.2 自发极化自发极化+-+ -未加应力未加应力加应力不产加应力不产生极化生极化加应力产生极化，加应力产生极化，正负电荷中心分开正负电荷中心分开(1) 不具有自发极化特性，不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在但为不对称中心结构，在外力的作用

2、下，产生极化。外力的作用下，产生极化。+-+未加应力未加应力加应力正负电荷中心不分开，不产生极化加应力正负电荷中心不分开，不产生极化结构含有正负离子结构含有正负离子(2) 含有对称中心的结构含有对称中心的结构-(3) 无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构-+-+-+-+极极化化轴轴C-+-+纤锌矿纤锌矿(ZnS)结构在（结构在（010）上投影）上投影表示晶体极性链表示晶体极性链的两种方法的两种方法例例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构-+-+固固有有偶偶极极子子正正电电荷荷层层与与负负电电荷荷层层交交替

3、替排排列列-+-+-+-+ 例例2：由热运动引起的自发极化：由热运动引起的自发极化铁电体的位移性理论：铁电体的位移性理论：自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。晶体结构发生了畸变。钛酸钡的结构：钙钛矿型结构钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 等轴晶系（大于等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：氧离子的半径

4、：1.32A 钛离子的半径：钛离子的半径： 0.64A钛离子处于氧八面体中，钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：两个氧离子间的空隙为：4.012 1.32= 1.37A钛离子的直径：钛离子的直径：2 0.64= 1.28A结果：结果：氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。相等，晶体保持高的对称性，自发

5、极化为零。温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。轻微畸变，由立方变为四方晶体。 钛、氧离子的位移钛、氧离子的位移固固有有偶偶极极子子自发极化：自

6、发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外电场，这些介质的极化强度为电场，这些介质的极化强度为0。电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列形成一个畴。形成一个畴。无外加电场时无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整，电畴在晶体中分布杂乱无

7、章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。个晶体表现为电中性，宏观上无极性。外电场作用时外电场作用时，沿电场方向极化畴长大沿电场方向极化畴长大，逆电场方，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的

8、内部电场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是一个电畴，这样的热释电体大部分为一个电部分是一个电畴，这样的热释电体大部分为一个电畴。畴。由热运动引起的自发极化的晶体，产生多畴，有居由热运动引起的自发极化的晶体，产生多畴，有居里点和电滞回线等特性，这类晶体具有里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和热释电性和铁电性铁电性。两种极性（自发极化）晶体的比较：两种极性（自发极化）晶体的比较： 介电晶类（介电晶类（32种）种）不具有对称不具有对称中心的晶类

9、中心的晶类 （21种）种）其中压电晶其中压电晶类类 （20种）种）极性晶类（热极性晶类（热释电晶类）释电晶类） （10种）种）1，2，3，4，6，m，mm2.4mm,3m,6mm 非极性晶类非极性晶类 （11种）种）222,-4,-6,23,423(不具有压不具有压电性）电性）,-43m,422,-42m,32,622,-6m2 具有对称中心的晶类具有对称中心的晶类 （11种）种）-1,2/m,4/m,- 3,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/mmm,m3m,-3m具有压电性材料不一定铁电体具有压电性材料不一定铁电体例如：例如：具有压电性材料又有铁电性的材料具有压电性材料又有铁电性的材料B

10、aTiO3 、Pb(Zr、Ti)O3、 Pb(Co 1/3 Nb 2/3 )O3 、Pb(Mn Sb )O3 、Pb(Sb Nb )O3。 -石英、纤维锌矿（石英、纤维锌矿（ZnS)仅有仅有铁电性。铁电性。电介质的极化强度与施加电场呈正比：电介质的极化强度与施加电场呈正比： P= o eE铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具有明显的滞后。二者典型的关系如下图：有明显的滞后。二者典型的关系如下图：1. 铁电体铁电体1.3 铁电性铁电性铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极

11、化能重新取向，电位移矢量与电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。场强度间的关系呈电滞回线特征。Ps：无电场时单畴：无电场时单畴的自发极化强度；的自发极化强度；Pr：剩余极化强度；：剩余极化强度；EC ：矫顽场强。：矫顽场强。P铁电陶瓷的电滞回线铁电陶瓷的电滞回线EOABECPrCPs自发极化：自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶极子混乱在某一低温时由于热能所造成的偶极子混乱排列被局部电场所克服，从而产生自发极化，晶体中每排列被局部电场所克服，从而产生自发极化，晶体中每一个晶胞里存在固有的电偶极矩，形成永久偶极矩。这一个晶胞里存在固有的电偶极矩，形成永久

12、偶极矩。这种电偶极子在无任何外场作用时自发排列。种电偶极子在无任何外场作用时自发排列。极性晶体：极性晶体：具有自发极化特性的晶体具有自发极化特性的晶体。铁电体：铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。铁电晶体的特点：铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。铁电晶体的两大类：铁电晶体的两大类：有序有序无序型铁电体（自发极化同个无序型铁电

13、体（自发极化同个别离子的有序化相联系）；位移型铁电体（自发极化同一别离子的有序化相联系）；位移型铁电体（自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系）。类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系）。3 . 铁电体的性能及应用铁电体的性能及应用电滞回线电滞回线介电特性介电特性非线性非线性晶界效应晶界效应（1）性能）性能（2）应用）应用 热释电材料的应用热释电材料的应用透明铁电材料的应用透明铁电材料的应用铁电电容器的应用铁电电容器的应用 独石电容器结构图独石电容器结构图陶瓷介质陶瓷介质中间中间Ni电极电极底层底层Ag电极电极 PbAg内内电极电极片式结构片式结构外层纯外层纯S

14、n电极电极带引线结构带引线结构环氧包封环氧包封镀锡铜线镀锡铜线印刷电极印刷电极压电效应：压电效应：正压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。在晶体两端将出现正负电荷。逆压电效应：逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。1. 压电效应压电效应1.4 压电性压电性极化方向极化方向+ + + + + + + + + + + + 极化方向

15、极化方向+ + + + + + + + + + + + 自由电荷自由电荷释放电荷释放电荷极化方向极化方向+ + + + + + + + + + + + + + + + + 正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系： D=dTd:压电常数压电常数逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：系： S=dEd:压电常数压电常数注：正、逆压电效应的压电常数一样。注：正、逆压电效应的压电常数一样。2. 压电材料的性能压电材料的性能（1）机电偶合系数）机电偶合系数（2）机械品质因数）机

16、械品质因数（3）频率常数）频率常数（4）压电常数）压电常数（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。介电质的基本性能：介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等特殊应用要求的性能：特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高3. 压电振子谐振特性及振动模式压电振子谐振特性及振动模式阻抗阻抗频率频率反谐振反谐振谐振谐振压电振子：极化后的压电体。压电振子：极化后的压电体。谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。(1) 谐振特性谐振特性谐

17、振频率：形成驻波的频率。谐振频率：形成驻波的频率。形成驻波的条件：形成驻波的条件：L= n / 2 振动频率：振动频率：f r=u/ （ u-声波的传播速度与物体的密度声波的传播速度与物体的密度和弹性模量有关）和弹性模量有关）谐振线度尺寸与频率的关系：谐振线度尺寸与频率的关系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 频率为基频，其它为二、三次等谐振频率为基频，其它为二、三次等谐振当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大电流最大)的频率的频率f m附近附近.在两个谐振之间有一反谐振在两个谐振之间有一反谐振f a ，电流与电

18、压同相，发生，电流与电压同相，发生在振子阻抗最大在振子阻抗最大(输出电压最大输出电压最大)的频率的频率f n附近。附近。C1C0L1R通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值，对其求通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值，对其求导，在导，在R=0时，求出时，求出fm,fn fm=1/2 (L1C1)1/2 (串联谐振）串联谐振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C1) (并联谐振）并联谐振）此时有：此时有：fm=fr,fn=fa压电振子的等效电路压电振子的等效电路电感的意义：当某一振子在交电感的意义：当某一振子在交变电场的作用下，发生形变，变电场的作用下，发生形变，引起另一压电振子形变，从

19、而引起另一压电振子形变，从而感应出电荷。其原因是由于振感应出电荷。其原因是由于振子的惯性引起，可等效为振子子的惯性引起，可等效为振子的质量，而电容可等效为弹性的质量，而电容可等效为弹性常数，电阻由内摩擦引起。常数，电阻由内摩擦引起。（2）压电振子的振动模式）压电振子的振动模式 伸缩振动、切变振动、弯曲振动伸缩振动、切变振动、弯曲振动薄片型薄片型极极化化方方向向薄长片薄长片极化方向极化方向厚度振动厚度振动径向振动径向振动轮廓振动或轮廓振动或长度振动长度振动横向效应横向效应沿轴向振动沿轴向振动厚度切厚度切变振动变振动伸缩振动：伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。极化方向与电场方向平行时产

20、生的振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。极化方向与电场方向垂直时产生的振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。弹性波传播方向与极化轴平行。横向效应横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。：弹性波传播方向与极化轴垂直。弯曲振动：弯曲振动：具有两种以上激励电极的振子，在极化方具有两种以上激励电极的振子，在极化方向与电场方向平行而施加的方式不同时，产生的振动。向与电场方向平行而施加的方式不同时，产生的振动。包括厚度弯曲和横向弯曲。包括厚

21、度弯曲和横向弯曲。各种振动模式可达到的频率范围各种振动模式可达到的频率范围振动模式振动模式 频频 率率 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G弯曲振动弯曲振动长度振动长度振动轮廓振动轮廓振动径向振动径向振动厚度振动厚度振动能阱振动能阱振动声表面波声表面波4 . 压电材料及其应用压电材料及其应用钛酸钡钛酸钡钛酸铅钛酸铅锆酸铅锆酸铅钛锆酸铅钛锆酸铅非钙钛矿型：非钙钛矿型： 焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝（1）材料）材料钙钛钙钛矿型矿型（2） 应用应用电声器：扬声器、送话筒、电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器雷达中的陶瓷

22、表面波器件雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高压电源：变压器高压引线高压引线压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器垫块垫块外外壳壳冲击块冲击块VV2V2输入输入输出输出伸缩振动伸缩振动压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器弯曲振动弯曲振动剪切振动剪切振动全波模谐振全波模谐振应力分布应力分布位移分布位移分布应力分布应力分布位移分布位移分布半波模谐振半波模谐振+ + + + + +单片陶瓷压电膜单片陶瓷压电膜压电换能器压电换能器+ + + 串联型串联型双膜片压电振子双膜片压电振子+ + + +

23、+_ _ _ _ _+ + + + +_ _ _ _ _ V等效电路等效电路并联型并联型+ + + + + +双膜片压电振子双膜片压电振子+ + + + +_ _ _ _ _+ + + + +_ _ _ _ _ 压电陶瓷滤波器压电陶瓷滤波器mVfr2 fa2 fr1 fa1 fmV1221f损耗损耗在频率附近的信号衰在频率附近的信号衰减最小减最小fa2（2的反谐的反谐振）振） = fr1（1的谐振）的谐振）3 压电陶瓷的生产工艺（以压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）陶瓷为例）典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅下面以下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷为例介绍压电陶陶瓷为例介绍

24、压电陶瓷的必要工序及制作方法。瓷的必要工序及制作方法。压电陶瓷生产的主要工艺流程：压电陶瓷生产的主要工艺流程： 配料配料球磨球磨过滤、干燥过滤、干燥预烧预烧二次球磨二次球磨过滤、过滤、干燥干燥过筛过筛成型成型排塑排塑烧结烧结精修精修上电极上电极烧银烧银极化极化测试。测试。（1） 原料处理原料处理 原料的纯度原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如原料，如 Pb3O4（或（或PbO）、）、ZrO2和和TiO2等，等， 若纯度若纯度低，引入杂质总量就很大，

25、所以纯度要高些。小剂量低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料则纯度要求相对低些。的原料则纯度要求相对低些。 以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行煅烧粉碎，通常希望煅烧粉碎，通常希望颗粒度颗粒度在在2um以下。以下。（2）预烧）预烧 经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的是为了使化学反应充分进行。是为了使化学反应充分进行。 实验表明实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果的范围内波动，

26、对致密度无显著影响，预烧温度如果偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。 预烧过程一般需经过四个阶段预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温：线性膨胀（室温400 ）、固相反应（）、固相反应（400750 ）、收缩）、收缩（750850 ）和晶粒生长（）和晶粒生长（800900 以上）。以上）。（3）成型和排塑）成型和排塑v简单形状的制品通过简单形状的制品通过模压法成型模压法

27、成型，不均匀截面的条形，不均匀截面的条形制品可以通过制品可以通过挤压法成型挤压法成型，薄板用，薄板用流延法和轧膜法成流延法和轧膜法成型型，大的圆环和更复杂的形状用，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型注浆法成型。v成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇为：聚乙烯醇15%，甘油，甘油7%，酒精，酒精3%，蒸馏水，蒸馏水75%；在在90下搅拌溶化）。下搅拌溶化）。v成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。或排胶。通常排塑温度通常排塑温度800850，保温时间，保温时间1小时左

28、小时左右。右。（4）烧结）烧结v烧结温度范围主要是由化学组成决定的。烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范低于烧结范围围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。如果超过烧结范围的上限如果超过烧结范围的上限，则由于出现过多液相，会，则由于出现过多液相，会发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。v烧结过程中烧结过程中PbO的挥发的挥发对产品质量影响很大。由于对产品质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成

29、，工艺上为了防止挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。措施加以解决。（5）上电极）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在并在600800下烧结，使银浆中的氧化银还原下烧结，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金于薄片，可以通过溅射或蒸发镀

30、上一层镍铬或金作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。理。（6）极化）极化v压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好的压电陶瓷电畴无规则取向，故整体不呈压电性，的压电陶瓷电畴无规则取向，故整体不呈压电性，只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显出压电性出压电性。v提高极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于提高极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于极化的充分进行。极化的充分进行。4 压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用v压电陶瓷的压电性是居里兄弟于压电陶瓷的

31、压电性是居里兄弟于1880年年在单晶体上在单晶体上发现的。发现的。v1940年以前年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种，只有单晶体压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。v第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年年用陶用陶瓷制造的瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但留声机拾音器，但BaTiO3存在压电存在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。性弱和压电性随温度变化大的缺点。v1954年年美国美国B.贾菲等人发现了贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3 （PZT）固溶体系统，它使在）固溶体系统，它

32、使在BaTiO3时代不能制作的时代不能制作的器件成为可能。器件成为可能。v70年代年代，人们又研制出，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。瓷的应用扩展到光学领域。v目前，压电陶瓷的应用已日益广泛目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为，大致可分为压电压电振子振子和和压电换能器压电换能器两个方面。两个方面。前者前者主要是利用振子本主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。机械品质因数高。后者后者主要是将一种能量形式转成另主要是将一种能量形式转成另一种能量形式，要

33、求机电耦合系数和品质因数高。一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。压电陶瓷的应用领域压电陶瓷的应用领域应用领域应用领域举举 例例 电电 源源雷达，电视显像管，高压电源，点火装置雷达，电视显像管，高压电源，点火装置信号转换信号转换振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器发射接收发射接收超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗信号处理信号处理滤波器，放大器，振荡器，混频器滤波器，放大器，振荡器，混频器传感计测传感计测加速度计，压力计，角速度计，红外探测器加速度计，压力计，角速度计，红外探测器存贮显示存贮显示电光、

34、声光调制器，光存贮器，声光显示器电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器其其 它它非线性元件，压电继电器等非线性元件，压电继电器等压电陶瓷应用（一）压电陶瓷应用（一）压电陶瓷应用（二）压电陶瓷应用（二）5 压电超声换能器的应用与发展压电超声换能器的应用与发展5.1 引言引言v超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。v最早的超声换能器是最早的超声换能器是P.郎之万郎之万(P. Langevin)在在1917年年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。英晶体为

35、压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。v1933年年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。能器。v到了到了50年代，年代，由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能器再度兴起。器再度兴起。v目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度度、测量范围、超声功率以及

36、器件的微小化程度的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得了很多成就。了很多成就。v本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。 5.2 压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类 压电超声换能器的种类很多：压电超声换能器的种类很多：v按组成超声换能器的压电元件形状按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；v按

37、振动模式按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；v按伸缩振动的方向按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等；分为厚度、切向、纵向、径向等；v按压电转换方式按压电转换方式分为发射型分为发射型(电电-声转换声转换)、接收型、接收型(声声-电电转换转换)、发射、发射-接收复合型等。接收复合型等。5.3 压电换能器的应用压电换能器的应用 压电换能器的应用十分广泛，它压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业按应用的行业分分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等；为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等；按实现的功能按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超

38、声探测、分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等；检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境按工作环境分为液体、分为液体、固体、气体、生物体等；固体、气体、生物体等；按性质按性质分为功率超声、检分为功率超声、检测超声、超声成像等。测超声、超声成像等。（1）压电陶瓷变压器）压电陶瓷变压器v压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分的机械藕合到输出部分，输

39、出部分再通过正压电效应的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应产生电荷，实现压电体的电能产生电荷，实现压电体的电能-机械能机械能-电能的两次变换，电能的两次变换，在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。v与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产，在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优产，在某些领域成为电磁变

40、压器的理想替代元件等优点。点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。驱动器等。（2）超声马达）超声马达v 超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。子转动。v超声马达体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，超声马达体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这些优点直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这些

41、优点有益于装置的小型化。有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。器人、医学与生物工程领域。 (3)超声波清洗超声波清洗v 超声清洗的超声清洗的机理机理是利用超声波在清洗液中传播时的空是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反应，达到清洗物件的目的。化学反应，达到清洗物件的目的。v清

42、洗所用的清洗所用的频率频率根据清洗物的大小和目的可选用根据清洗物的大小和目的可选用10500 kHz，一般多为，一般多为2050kHz。随着频率的增加，。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。v超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。到了越来越广泛的应用。 (4)超声焊接超声焊接v超声焊接有超声焊接有超声金属焊接超声金属焊接和和超声塑料焊接超声塑料焊接两大类。两大类。其

43、其中中超声塑料焊接技术超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。完成焊接工作。v超声塑料焊接超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，提高了

44、生产效率，有经济、快速和可靠等特点。时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。 (5)超声加工超声加工v 把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具相同的形状。超声在工件上，就能加工出与工具相同的形状。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而达到去除击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而达到去除材料的目的。材料的目的。v超声加工超声加工主要应用于主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细

45、深孔硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动时，也可起到提高精度和效率的作用。时，也可起到提高精度和效率的作用。（6）超声减肥）超声减肥v利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，达到减肥、多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，达到减肥、塑形的目的。这是国际上塑形的目的。这是国际上90年代发展起来的一项新技年代发展起来的一项新技术。意大利的术。意大利的Zocchi首次将超声去脂用于临床，并获首次将超声去脂用于临床，并获得成功，

46、为整形、美容开创了先河。近得成功，为整形、美容开创了先河。近10年来超声去年来超声去脂技术在国内外得以迅速发展。脂技术在国内外得以迅速发展。（7）超声育种）超声育种v对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射，可提对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射，可提高种子的发芽率，降低霉烂率，促进种子的生长，提高种子的发芽率，降低霉烂率，促进种子的生长，提高植物生长速度。据资料介绍，超声波可使某些植物高植物生长速度。据资料介绍，超声波可使某些植物种子生长速度提高种子生长速度提高23倍。倍。（8）电子血压计）电子血压计v 利用压电换能器接收血管的压力，当气囊加压紧压血管时，利用压电换能器接收血管的压力，

47、当气囊加压紧压血管时，因外加压力高于血管舒张压力，压电换能器感受不到血管因外加压力高于血管舒张压力，压电换能器感受不到血管的压力；而当气囊逐渐泄气，压电换能器对血管的压力随的压力；而当气囊逐渐泄气，压电换能器对血管的压力随之减小到某一数值时，二者的压力达到平衡，此时压电换之减小到某一数值时，二者的压力达到平衡，此时压电换能器就能感受到血管的压力，该压力即为心脏的收缩压，能器就能感受到血管的压力，该压力即为心脏的收缩压，通过放大器发出指示信号，给出血压值。通过放大器发出指示信号，给出血压值。电子血压计由于电子血压计由于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度

48、。 （9）遥测遥控）遥测遥控v 在有毒、放射性等恶劣环境中，人们不能接近工作，需要在有毒、放射性等恶劣环境中，人们不能接近工作，需要远地控制；电视机，电风扇以及电灯等电器开关需要遥控，远地控制；电视机，电风扇以及电灯等电器开关需要遥控，都可装上压电超声换能器，通过远地发射超声波由装在需都可装上压电超声换能器，通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收，把声信号转变成电信要控制系统上的接收换能器所接收，把声信号转变成电信号使开关动作。号使开关动作。 (10)交通监测交通监测v 现代交通，自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运现代交通，自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况

49、是非常必要的。行情况是非常必要的。v 如如交通监理站交通监理站安装一个收发兼用的超声换能器及其附属设安装一个收发兼用的超声换能器及其附属设备，当车辆通过时就有一个声脉冲返回，通过计数累计可备，当车辆通过时就有一个声脉冲返回，通过计数累计可得到日行车辆的数量。得到日行车辆的数量。v 给给汽车尾部汽车尾部装一个收发两用的换能器，可防止倒车相撞事装一个收发两用的换能器，可防止倒车相撞事故发生。在故发生。在公路上公路上安装接收型压电超声换能器还可以监测安装接收型压电超声换能器还可以监测噪声指数。噪声指数。 (11)测距测距v 超声测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器，测超声测距装置又叫声尺。它是

50、通过收发两用的换能器，测量脉冲时间间隔。目前的声尺可测量脉冲时间间隔。目前的声尺可测10m以内的距离，精度以内的距离，精度可达千分之几。可达千分之几。(12)检漏及气体流量检测检漏及气体流量检测v 对于压力系统，在泄漏处，由于压力容器的内外压差造成射流对于压力系统，在泄漏处，由于压力容器的内外压差造成射流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统，可在密闭系统内噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统，可在密闭系统内安放一个超声源，然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测安放一个超声源，然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有，在泄漏处信号幅度有突然增大的趋到的信号幅度极小或没有，

51、在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。势。v 气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的种方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。流动。 (13)机器人成像信息采集机器人成像信息采集v 智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能，不仅要智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能，不仅要用超声换能器测距导盲，而且要成像辨识。所以，需要小型的用超声换能器测距导盲，而且要成像辨识。所以，需要小型的超声换能器阵，以实现多种功能，这方面将成为一项重要的研超声换能器

52、阵，以实现多种功能，这方面将成为一项重要的研究课题，吸引着众多的科学家为之奋斗。究课题，吸引着众多的科学家为之奋斗。 5.5 压电超声换能器的最新发展压电超声换能器的最新发展当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。（1）大功率换能器）大功率换能器v 在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，铌镁酸铅铌镁酸铅(PMN)陶瓷是有发展前途的材料。陶瓷是有发展前途的材料。PMN的优点是的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变，迟滞小。但电致伸在中度的电场中就可以

53、产生大的应变，迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的，相应的物理常数取决于温度和频率，缩效应是非线性的，相应的物理常数取决于温度和频率，且需直流偏压，这就需要研究如何处理这些问题。且需直流偏压，这就需要研究如何处理这些问题。v 在工业液体处理中在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器，在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要能器，在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。求。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。（2）低压驱动换能器）低压驱动换能器v 许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需

54、产生大的许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。锆钛酸铅振幅。锆钛酸铅(PZT)是广泛应用的电声转化材料。在是广泛应用的电声转化材料。在20 kHz时，时，PZT在在400kV/m的电场中，在共振条件下产生的的电场中，在共振条件下产生的振幅要达到微米级，需振幅要达到微米级，需2000V的电压，的电压，5mm厚的压电陶瓷厚的压电陶瓷环。环。v 在某些情况下在某些情况下(航空航天，便携式装置航空航天，便携式装置)，使用高压是一种缺，使用高压是一种缺陷。此时，大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陷。此时，大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因

55、为当场强一定时，陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时，极间距越小，所需电压也越小。极间距越小，所需电压也越小。（3）高频换能器）高频换能器v 频率大于频率大于1520MHz的的B超在医疗上的应用已有十几年了超在医疗上的应用已有十几年了，高频超，高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展。目前已经制成高达声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展。目前已经制成高达100MHz以上的高频压电陶瓷振子。以上的高频压电陶瓷振子。 v 高频压电陶瓷器件高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装

56、置、通信设备、复印机、被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。随着电子技术的发展，计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。随着电子技术的发展，需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约年应用量约10亿只，而国内仅有极少数几家生产亿只，而国内仅有极少数几家生产13MHz以下器件，以下器件，产量约产量约3亿只，供需矛盾突出，尤其是亿只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以上的器件基木上依以上的器件基木上依靠进口，市场缺口非常大。靠进口，市场缺口非常大。v 随着

57、压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进，谐振频率及特性的不断随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进，谐振频率及特性的不断提高，它将越来越广泛地取代石英晶体器件，其应用量将以每年提高，它将越来越广泛地取代石英晶体器件，其应用量将以每年5%10%的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品，具有极的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品，具有极大的推广应用前景，有良好的市场空间。大的推广应用前景，有良好的市场空间。（4）压电薄膜换能器）压电薄膜换能器v 超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此，超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此，提高超声图像的分辨率己成为超声成像技术研究

58、的方向之一。压提高超声图像的分辨率己成为超声成像技术研究的方向之一。压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，用于超声成像可获得电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，用于超声成像可获得高分辨率的图像。高分辨率的图像。（5）换能器的微型化）换能器的微型化v 装置的微型化离不开动力元件的微型化，在动力微元件中，压电装置的微型化离不开动力元件的微型化，在动力微元件中，压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。v 压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的研究起始于美国，研究起始于

59、美国，1992年麻省理工学院的年麻省理工学院的Antia.M. Flynn等人研等人研制出薄膜式微型压电超声马达。随后，日本制出薄膜式微型压电超声马达。随后，日本T akeshi Morita等成等成功地研制了功地研制了PZT压电薄膜圆柱微型超声马达。但微型压电超声马压电薄膜圆柱微型超声马达。但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻，目前仍处于实验研究阶段，离工达的设计和制作要求十分苛刻，目前仍处于实验研究阶段，离工业化还有一段距离。业化还有一段距离。（6）换能器的集成化）换能器的集成化v 集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。电磁变压器集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。电磁变压器体

60、积大，并产生电磁噪声，而用压电变压器则无此缺点。体积大，并产生电磁噪声，而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。5.6 结束语结束语v 压电超声换能器是超声技术的关键部件，其应用日趋广泛。压电超声换能器是超声技术的关键部件，其应用日趋广泛。国际上对其研究十分活跃。近年来，我国在压电换能器的国际上对其研究十分活跃。近年来，我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视，参加研究的单位也越研制、应用和开发方面越来越重视，参加研究的单位也越来越多，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与国外已来越多，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与