压电材料与应用

1、压电材料与应用压电材料与应用主要内容主要内容v1.1.压电材料概述压电材料概述v2.2.压电材料的性能指标压电材料的性能指标v3.3.压电陶瓷体系压电陶瓷体系v4.4.压电陶瓷制备工艺压电陶瓷制备工艺v5.5.压电材料的应用压电材料的应用压电材料的原理压电材料的原理 压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。 压电材料概述压电材料概述压电材料类别1.1.压电单晶压电单晶 石英（ SiO2 ，J居里和P居里兄弟于1880年发现的），性稳定，但价格高，一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中；2.2.压电陶瓷材

2、料压电陶瓷材料 PZT、BaTiO3、PTiO3、铋层状陶瓷等。3.3.压电聚合物压电聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，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)。 4.4.压电复合材料压电复合材料 压电陶瓷与聚合物的复合，同时兼具陶瓷的高压电性能，又有聚合物的韧性，一些指标特别优异。0-3型、1-3型、3-3型。压电材料概述压电材料概述各种压电材料的优缺点各种压电材料的优

3、缺点 v压电单晶压电单晶 优点：优点：Q Q值较大，有良好的温度特性。值较大，有良好的温度特性。 缺点：制程困难，价格贵。缺点：制程困难，价格贵。v压电陶瓷压电陶瓷 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状，价格优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状，价格 便宜。便宜。 缺点：温度系数大，需高压极化处理缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)(kV/mm)。v压电聚合物压电聚合物 优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)(MV/mm)压电材料概述压电材

4、料概述1 1、压电常数、压电常数d d3333 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。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：3333TdD 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,它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。压电材料压电材料性能指标性能指标2 2、机电耦合系数、机电耦合系数

5、K Kp p 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：转换时输入的总电能得的机械能通过逆压电效应转换所2K转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K或或 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。压电材料压电材料性能指标性能指标KpK33K

6、tK15K31压电材料压电材料性能指标性能指标3 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m 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Q Qm m是反映能量消耗大小的一个参数。是反映能量消耗大小的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。机械品质因数越大，能量消耗越小。机械品质因数Q Qm m的定义式是：的定义式是：耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R

7、为谐振频率时的最小阻抗为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容压电材料压电材料性能指标性能指标4 4、频率常数、频率常数N N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘机为一个常数，即的乘机为一个常数，即频率常数频率常数。N=frl其中：其中：f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度。为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒细

8、长棒K33振动振动N33=frl薄板切变薄板切变K15振动振动N15=frltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板的厚度l为棒的长度为棒的长度lt为薄板的厚度为薄板的厚度压电材料压电材料性能指标性能指标压电陶瓷是什么？压电陶瓷是什么？ 是一种具压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名是一种具压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。压电压电陶瓷系统陶瓷系统压电陶瓷材料分类压电陶瓷 ： 1）一元系压电陶瓷；2）二元系压电陶瓷；3）三元系压电陶瓷；4）四元系压电陶瓷。锆钛酸铅PbTiO3-PbZrO3(PZT) 1965年问世的PCM，它由锆酸铅PbZrO3-钛酸铅PbTiO3-

9、铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。 钛酸铅(PbTiO3)系压电陶瓷；锆酸铅(PbZrO3)系压电陶瓷压电压电陶瓷系统陶瓷系统工艺性差工艺性差（粉化，（粉化，PbOPbO易挥发）易挥发） 工艺性好工艺性好g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏米米/ /牛牛) ) g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏米米/ /牛牛) ) d d3333=56(10=56(10-12-12库库/ /牛牛) ) d d3333=191(10=191(10-12-12库库/ /牛牛) ) K Kp p =0.095 =0.095 K Kp p =0.354 =

10、0.354 难极化难极化 易极化易极化热稳定性好热稳定性好 热稳定性差热稳定性差 T Tc c=490=490 T Tc c=120=120工作温区宽工作温区宽工作温区窄工作温区窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷压电压电陶瓷系统陶瓷系统二元系二元系Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O3 3压电陶瓷压电陶瓷P Pb bZ Zr rO O3 3P Pb bT Ti iO O3 3相相 结结 构构钙钙钛钛矿矿结结构构钙钙钛钛矿矿结结构构晶晶体体结结构构正正交交晶晶系系正正交交晶晶系系居居里里温温度度 T Tc c2 23 30 04

11、 49 90 0类类 别别反反铁铁电电体体铁铁电电体体 T Tc cc c/ /a a = =0 0. .9 98 81 1 1 1 T Tc c立立方方顺顺电电相相 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。多元系多元系Pb(TiZr)OPb(TiZr)O3 3压电陶瓷压电陶瓷一些性能往往是互相克制的，如：一些性能往往是互相克制的，如： 国内比较常见的国内比较常见的PZTPZT瓷料的性能瓷料的性能K KP P=0.10=0.100.400.40，Q Qm m=500=5003600 ,

12、3600 ,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电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。器件的要求，但这些性能都不是最佳值。 19651965年以来，人们通过在年以来，人们通过在PZTPZT的基础上再固溶另一种组的基础上再固溶另一种组分更复杂的复合钙钛矿化合物分更复杂的复合钙钛矿化合物Pb(BPb(B1 1B B2 2)O)O3 3而形成的三元系、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。四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。Q Qm m 增加增加 ，则，则K KP P减小减小 ；增加增加，则，则tantan增大增大 ；K KP P增

13、加增加 ，则热稳定性，则热稳定性。Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3三元系三元系压电陶瓷压电陶瓷四元系四元系压电陶瓷压电陶瓷五元系五元系压电陶瓷压电陶瓷Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(SbPb(Sb1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZ

14、rO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3

15、 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Ni-Pb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3 -Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Cd-Pb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-Pb(Z

16、n-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Mg-Pb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3无铅压电材料无铅压电材料 迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系有：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） BaTiO

17、3-xAIBIIO3 （AI=K、Na，BII=Nb、Ta） c（1-x） BaTiO3-xAII0.5NbO3 （AII=Ca、Sr、Ba）压电压电陶瓷系统陶瓷系统2.Bi1/2Na1/2TiO3基无铅压电陶瓷a (1-x)BNT-xBi0.5K0.5TiO3b (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压电压电陶瓷系统陶瓷系统3.NaNbO3基无铅压电陶瓷

18、A（1-x）NaNbO3-xAINb2O6 b（1-x）NaNbO3-xAITiO34.铋层状结构压电陶瓷 a Bi4Ti3O12基无铅压电陶瓷 b MBi4Ti4O15基无铅压电陶瓷 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压电压电陶瓷系统陶瓷系统(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）C Ba2AgNb5O15基无铅压电陶瓷压电压电陶瓷系统陶瓷系统主要用主要用 各种功率型超声换能器，如超声雾化器、增湿机、超声

19、焊接器、超声清洗机、乳化器等；水声发射换能器；压电变压器；压电马达各种功率型超声换能器，如超声雾化器、增湿机、超声焊接器、超声清洗机、乳化器等；水声发射换能器；压电变压器；压电马达芯片；点火器和发射检测传感器等等。芯片；点火器和发射检测传感器等等。商商品品名名材料材料性能性能K Kp pK Kt td d3333(PC/N)(PC/N)g g3333( (10103 3Vm/N)Vm/N)3 33 3T T/ /0 0tantan( () )QmQmPZT-4PZT-4F F15-615-60.620.62/ /34034029.129.1132013200.350.3512001200F F

20、15-715-70.580.58/ /31031028.028.0125012500.400.40750750PZT-8PZT-8F FC-1C-10.520.52/ /24024025.125.1108010800.250.25/ /P-5P-50.570.57/ /25025025.725.7110011000.300.30800800P PS S0.580.58/ /24024025.825.8105010500.400.40200200F F3 30.550.55/ /30030029.529.5115011500.380.38/ /SW2SW20.590.590.470.473603

21、60 150015000.340.3413001300SW3SW30.590.590.490.49312312 105010500.50.511001100PZT-7PZT-7PGBPGB0.510.510.490.4917417432.732.76026020.220.2211291129F F2-62-60.560.560.500.5018518534.334.36106100.190.1911001100BT-2BT-20.320.32/ /15215214.814.8117011700.700.70400400发射型压电陶瓷材料压电压电陶瓷系统陶瓷系统主要用途：各种检测传感器，如压力计

22、流量计风速计等；水声换能器；医用换能器；电声器件和点火器等等。主要用途：各种检测传感器，如压力计流量计风速计等；水声换能器；医用换能器；电声器件和点火器等等。商商品品名名材料材料性能性能K Kp pK Kt td d3333(PC/N)(PC/N)g g3333( (10103 3Vm/N)Vm/N)3333T T/0 0tantan( () )d31d31QmQmPZT-5PZT-5S Sn-8n-80.640.64/ /43043034.734.7140014001.801.80 6060PZT-5APZT-5AS S1-011-010.6650.6650.510.515155153030

23、195019501.551.551951957070PZT-5BPZT-5BS33S330.690.690.500.504904902828200020001.701.701951957373S34S340.730.730.540.5455055030.530.5210021001.701.702252257070S S1-11-10.620.62/ /41041024.424.4190019001.601.601501506060S S1-3D1-3D0.670.67/ /52052024.224.2200020001.601.602052056565PZT-5JPZT-5JS Sm-16m

24、-160.650.65/ /54054022.222.2275027501.551.55 110110PZT-5HPZT-5HS Sm-32m-320.630.63/ /63063024.524.5290029001.301.303203206565S Sm-32Am-32A0.680.68/ /67067021.621.6350035001.601.603203206565S Sm-32Bm-32B0.670.670.510.5168068022.022.0380038001.891.893203205555S Sm-32Cm-32C0.730.730.510.517507502424410

25、041001.951.953403406565接收型压电陶瓷材料接收型压电陶瓷材料压电压电陶瓷系统陶瓷系统主要用途：各种高温传感器主要用途：各种高温传感器, ,换能器换能器材料材料性能性能TcTc()()K Kt td d3333(PC/N)(PC/N)（g/cmg/cm3 3）3333T T/0 0 tantan( () )QmQmBTCBTC8408400.270.2718187.27.21301300.120.12/ /BTSBTS520520/ /22227.67.61401400.600.60/ /PN1PN15505500.410.4174746.06.02102100.700.7

26、09 9PN2PN24404400.390.3995955.85.83503500.600.602525PN3PN34104100.400.401601605.75.76006000.800.80/ /PT-5PT-54904900.400.4052527.77.72102101.01.010001000高温压电陶瓷材料高温压电陶瓷材料压电压电陶瓷系统陶瓷系统压电陶瓷的稳定性压电陶瓷的稳定性v时间稳定性老化时间稳定性老化v随时间延长，随时间延长， ，fr ，s11E , kp , Qm v原因：极化压电陶瓷亚稳状态老化过程原因：极化压电陶瓷亚稳状态老化过程 趋于稳定趋于稳定压电压电陶瓷系统陶瓷

27、系统压电陶瓷制备流程：压电陶瓷制备流程：配料混料合成细磨加粘结剂成型排塑烧结 清洗氧化上电极极化性能测试存放加工压电压电陶瓷制备陶瓷制备 发明了一种压电陶瓷一次烧成工艺发明了一种压电陶瓷一次烧成工艺（国内首创）（国内首创），制备的压电材料达到了国外，制备的压电材料达到了国外包套热等静压工艺的致密度，成本不到热等静压的包套热等静压工艺的致密度，成本不到热等静压的1 /10, 1 /10, 性能甚至更高。性能甚至更高。美国美国CTS CTS 样品（包套热等静压）样品（包套热等静压） S33 S33样品（一次烧成）样品（一次烧成）普通烧成样品普通烧成样品压电压电陶瓷制备陶瓷制备压电陶瓷显微结构压电陶

28、瓷显微结构压电陶瓷的各种电极制备及其优缺点压电陶瓷的各种电极制备及其优缺点制备方法电极材料优点缺点1.烧渗Ag结合好、成本低电极较厚2.磁控溅射Ni-AuAu结合好，可镀厚膜，可焊性好成本高3.真空蒸发Ni-AuNiCr-AuCr-Au结合差结合较好结合好膜层较薄，结合较差，可焊性差4.化学镀、电镀Ni-AgNi-Au低温镀膜，侧面及孔内都可均匀镀上，结合牢污染，成本高，技术难度大压电压电陶瓷制备陶瓷制备压电陶瓷的极化机理压电陶瓷是一种经极化处压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶电介质。理后的人工多晶电介质。所谓所谓“多晶多晶”，它是由无，它是由无数细微的单晶组成。数细微的单晶组成。 每个单晶

29、形成一单个电每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。而不具有压电性。 要使之具有压电性，必要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直定温度下对其施加强直流电场，迫使流电场，迫使“电畴电畴”趋向外电场方向作规则趋向外电场方向作规则排列排列 。极化电场去除后，趋向极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从成很强的剩余极化，从而呈现出压电性而呈现出压电性 。1.PZT压电陶瓷常采用的极化条件压电陶瓷常采用的极化

30、条件v极化电场：极化电场：3 5 KV/mmv极化温度：极化温度：100 150oCv极化时间：极化时间：10 20 min.2.高温压电陶瓷常采用的极化条件高温压电陶瓷常采用的极化条件v极化电场：极化电场：8 10KV/mmv极化温度：极化温度：180 200oCv极化时间：极化时间：30 60 min.压电陶瓷的极化条件压电压电陶瓷制备陶瓷制备应用应用分类分类 正压电效应正压电效应将机械力转换为将机械力转换为电能，如点火装电能，如点火装置，拾音器等，置，拾音器等，是机电换能器是机电换能器 逆压电效应逆压电效应 主要用于压电主要用于压电蜂鸣器，如音蜂鸣器，如音乐贺卡、门铃乐贺卡、门铃和扬声器

31、等和扬声器等 压电压电材料应用材料应用压电陶瓷压电陶瓷应用应用压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。v能量转换能量转换。压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造压电打火机、压电点火机、移动X光机电源、炮弹引爆装置等。用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗等。v传感传感。用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。v驱动驱动。压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精

32、密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。v频率控制频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器。压电压电材料应用材料应用压电打火机：压电打火机：压电打火机，就是应用了压电陶瓷的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根钢柱在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在这种打火机中，采用直径为2.5毫米，高度为4毫米的压电陶瓷，就可得到1020千伏的高电压。当压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损，可以长久使用下去，所以，压电打火机使用方便，安全可靠，寿命长。压电压电材料应用材料应用压电引爆装置压电引爆装置：

33、其实，压电打火机的点火原理可应用于各个领域，特别是军事领域。在反坦克炮弹上装上压电陶瓷元件，当炮弹击中坦克时，陶瓷因受压而产生高电压，从而引燃炸药，摧毁坦克。压电陶瓷在非常强的机械冲击波的作用下，储存的能量在以微秒计的瞬间释放出来，产生瞬间电流达10万安培以上的高压脉冲，可用于原子武器的引爆。压电压电材料应用材料应用压电探鱼仪：压电探鱼仪：探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的声纳设备。其声波发射部分和接收部分用压电陶瓷制成。压电陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动，从而向水中发射声波。声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来，压电陶瓷接收部分收到回波后，即将它变换成电信号，经过电路处理就会显示出鱼群的规模、种类、密集程度、方位和距离等，便于捕捞作业。压电探鱼仪其发射功率已达到兆瓦级。