压电材料与应用

压电材料与应用主要内容1.压电材料概述2.压电材料的性能指标3.压电陶瓷体系4.压电陶瓷制备工艺5.压电材料的应用压电材料的原理

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类别1.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.压电陶瓷材料

PZT、BaTiO3、PTiO3、铋层状陶瓷等。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，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(PVF2—PZT)。4.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。压电材料概述各种压电材料的优缺点

压电单晶

优点：Q值较大，有良好的温度特性。缺点：制程困难，价格贵。压电陶瓷

优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状，价格便宜。缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。压电聚合物

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(MV/mm)压电材料概述1、压电常数d33

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：

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。压电材料性能指标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。压电材料性能指标KpK33KtK15K31压电材料性能指标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压电材料性能指标4、频率常数N

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，即频率常数。N=fr×l其中：fr为压电振子的谐振频率；l为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动Np=fr×D薄板厚度伸缩振动Nt=fr×t细长棒K33振动N33=fr×l薄板切变K15振动N15=fr×ltD为圆片的直径t为薄板的厚度l为棒的长度lt为薄板的厚度压电材料性能指标压电陶瓷是什么？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。压电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-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)系压电陶瓷压电陶瓷系统工艺性差（粉化，PbO易挥发）工艺性好g33=33(10-3伏·米/牛)g33=11.4(10-3伏·米/牛)d33=56(10-12库/牛)d33=191(10-12库/牛)Kp=0.095Kp=0.354难极化易极化热稳定性好热稳定性差Tc=490℃

Tc=120℃工作温区宽工作温区窄PbTiO3陶瓷BaTiO3陶瓷一元系压电陶瓷压电陶瓷系统二元系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。多元系Pb(TiZr)O3压电陶瓷一些性能往往是互相克制的，如：国内比较常见的PZT瓷料的性能KP=0.10～0.40，Qm=500～3600,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。Qm

增加↑

，则KP减小

↓

；ε增加↑，则tanδ增大↑；KP增加

↑，则热稳定性↓。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系压电陶瓷四元系压电陶瓷五元系压电陶瓷Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Sb1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3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）BaTiO3-xAIBIIO3（AI=K、Na，BII=Nb、Ta）c（1-x）BaTiO3-xAII0.5NbO3（AII=Ca、Sr、Ba）压电陶瓷系统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压电陶瓷系统3.NaNbO3基无铅压电陶瓷

A（1-x）NaNbO3-xAINb2O6b（1-x）NaNbO3-xAITiO34.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

cMBi2Nb2O9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）CBa2AgNb5O15基无铅压电陶瓷压电陶瓷系统主要用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。商品名材料性能KpKtd33(PC/N)g33(×10－3Vm/N)ε33T/ε0tanδ()QmPZT-4F15-60.62/34029.113200.351200F15-70.58/31028.012500.40750PZT-8FC-10.52/24025.110800.25/P-50.57/25025.711000.30800PS0.58/24025.810500.40200F30.55/30029.511500.38/SW20.590.47360

15000.341300SW30.590.49312

10500.51100PZT-7PGB0.510.4917432.76020.221129F2-60.560.5018534.36100.191100BT-20.32/15214.811700.70400发射型压电陶瓷材料压电陶瓷系统主要用途：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。商品名材料性能KpKtd33(PC/N)g33(×10－3Vm/N)ε33T/ε0tanδ()d31QmPZT-5Sn-80.64/43034.714001.80

60PZT-5AS1-010.6650.515153019501.5519570PZT-5BS330.690.504902820001.7019573S340.730.5455030.521001.7022570S1-10.62/41024.419001.6015060S1-3D0.67/52024.220001.6020565PZT-5JSm-160.65/54022.227501.55

110PZT-5HSm-320.63/63024.529001.3032065Sm-32A0.68/67021.635001.6032065Sm-32B0.670.5168022.038001.8932055Sm-32C0.730.517502441001.9534065接收型压电陶瓷材料压电陶瓷系统主要用途：各种高温传感器,换能器材料性能Tc(℃)Ktd33(PC/N)ρ（g/cm3）ε33T/ε0

tanδ()QmBTC8400.27187.21300.12/BTS520/227.61400.60/PN15500.41746.02100.709PN24400.39955.83500.6025PN34100.401605.76000.80/PT-54900.40527.72101.01000高温压电陶瓷材料压电陶瓷系统压电陶瓷的稳定性时间稳定性－老化随时间延长，，fr

，s11E

,kp,Qm原因：极化压电陶瓷－亚稳状态－老化过程趋于稳定压电陶瓷系统压电陶瓷制备流程：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陶瓷制备发明了一种压电陶瓷一次烧成工艺（国内首创），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1/10,性能甚至更高。美国CTS样品（包套热等静压）

S33样品（一次烧成）普通烧成样品压电陶瓷制备压电陶瓷显微结构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，技术难度大压电陶瓷制备压电陶瓷的极化机理压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶电介质。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成。

每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。

要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列。极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。1.PZT压电陶瓷常采用的极化条件极化电场：3~5KV/mm极化温度：100~150oC极化时间：10～20min.2.高温压电陶瓷常采用的极化条件极化电场：8~10KV/mm极化温度：180~200oC极化时间：30

～60

min.压电陶瓷的极化条件压电陶瓷制备应用分类

正压电效应将机械力转换为电能，如点火装置，拾音器等，是机电换能器

逆压电效应

主要用于压电蜂鸣器，如音乐贺卡、门铃和扬声器等

压电材料应用压电陶瓷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。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。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。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密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。频率控制。压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器。压电材料应用压电打火机：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10～20千伏的高电压。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。压电材料应用压电引爆装置：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。压电材料应用压电探鱼仪：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。用压电陶瓷制成的接收部分有很高的灵敏度，根据回波的强弱可以判断是海底、礁石，还是鱼群，甚至可以判断鱼群的种类、大小和分布情况。压电材料应用压电地震仪：地震是常见的自然现象。全世界每年要发生几百万次地震，平均每分钟就有十几次。不过绝大多数地震比较微弱，人们感觉不到。强烈的大地震，一般每年不过三五次。然而这种大地震一旦发生，对人类造成的灾难是毁灭性的，因此地震预报十分重要。测量地震的仪器灵敏度越高越精确，地震预报就报得越早越准，就可