压电陶瓷材料

湖南工学院学院：材料与化学工程专业：无机非金属材料工程学号：09701540130姓名：姜庭燕时间：2012年5月16日 压电陶瓷材料—PZT陶瓷压电陶瓷材料简介压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。它在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。由压电陶瓷构成的超高精度、低能耗、控制简便的驱动器,在精密工程中起到了非常重要的作用。1、压电陶瓷材料的基本原理压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。二、PZT压电陶瓷的发展压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。当在某些各向异性的晶体材料上施加机械应力时，在晶体的某些表面上会有电荷出现。这一效应称为正压电效应，晶体的这一性质，称为压电性。1880年，居里兄弟最早发现电气石具有压电效应，1881年，居里兄弟实验发现，在晶体上施加电压时，则晶体会产生几何形变。这一效应被称为逆压电效应，并给出石英相同的正逆压电常数。1894年沃伊特(Voigt)指出，仅无对称中心的20种点群的晶体才可能具有压电效应。石英是压电晶体的代表，它一直被广泛应用至今。利用石英的压电效应可制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次世界大战中，居罩的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电效应应用史的光辉篇章。自发现压电性能以来，压电学己成为晶体物理学的一个重要分支。直到1944年，人们对“压电陶瓷”这个术语仍不理解。大约在1940年以前，只知道有两类铁电体，一类是罗息盐与某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾和它的同晶型物。前者是一种在高温下具有压电性的晶体，在技术上具有使用价压，使圆薄片始终处于PbO气氛中，以防止失铅。2、样品的烧结本实验采用无压空气烧结的方式进行粉体的烧结。样品平放在平板上的小柑祸旱，样品之嵋J用配料隔开。用含有PbO的填料将样品完全覆盖，盖好，坩埚与平板之间用ZrO：密封，外面罩上大坩埚，然后将样品放入箱式炉中按设定的温度进行烧结。装配示意图如图2-5所示。3、样品的被银压电尚瓷是绝缘体，必须在陶瓷元件工作部位的表面上涂覆一层具有高导电率、结合牢固的金属薄膜作为电极(一般为银电极)。电极的作用有两方面：一是在强绝缘体表面附着的金属电极承受高压电场，以利于充分极化；二是在陶瓷元件表面聚集电荷和传递电荷。此外，对于需测试压电性能的样品来说，被银还有便于测试的作用，因为进行性能测试时，需要陶瓷表面有导电层。被银的过程是将银浆均匀地涂在样品表面，并在200～250℃下烘干，然后在850℃下进行烧渗处理，使银层紧密地附着在陶瓷制品表面上。被银时应注意不要使瓷片的边缘部分也镀上银。4、样品极化在某一温度下，对铁电陶瓷元件外加一直流电场，使原来任意取向的铁电畴沿电场方向取向的过程称为极化。极化的目的是为了使铁电陶瓷多晶体中的铁电畴在外加电场作用下沿电场方向定向排列，由各向同性转变为各向异性，呈现极性，显示出压电效应。样品的极化有如下步骤：(1)清洁处理被好银的样品要用酒精仔细清洗并晾干，禁止手触，标明正极。(2)装盘将样品夹在极化设备的两个电极上并固定(注意正负极的对应)。确保样品银层与油浴中电极接触良好，样品及其两极均须断路。(3)极化连接好极化设备线路，使极化锰中的硅油足以覆盖样品和电极。接通电源，预热极化设备lO-15分钟。再接通加热油浴电源，5-10分钟内升温至80℃左右，然后在5-10分钟内同时升压升温至极化电压2．5kV／mm和极化温度120-140℃，极化15分钟后关闭电源，冷却到室温，取出样品。如在极化时发生击穿现象，必须马上关闭高压电源放电后取出样品，用新样品重新进行。5．样品的测试测试样品在1KHz下的电容量C0和损耗tgɑ，并利用下式计算出材料的介电常数s：s=14．4C0d／D2式中：C0为测试样品的电容量(pF)；D为样品的直径(cm)；d为样品的厚度(cm)。用系统测定其常温下在1kHz下介电常数和介质损耗变化情况。五、PZT压电陶瓷的应用压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料。极化后的压电陶瓷在机械力的作用下产生形变时，会在与极化方向相对的两个表面出现等量异号的束缚电荷，电荷面密度与旌加作用力大小成正比。这种没有外电场作用，仅由于介质形变而产生的极化称为正压电效应，这种特性被称为压电性。置于外电场中的压电陶瓷能够产生几何形变、把电能转变为机械能，这种现象称为逆压电效应。凡是具有正压电效应的晶体也一定具有逆压电效应。利用压电效应或逆压电效应，或同时利用正、逆压电效应，压电陶瓷已经被广泛应用于高压点火装置、位移传感器、加速器、制动器、谐振器、滤波器、水声换能器和压电变压器等电子元器件中。目前应用最广泛的压电陶瓷材料是以锆钛酸铅(PZT)为基，通过用B位离子M92+、Nb5+、Ta5+进行单独或复合取代，形成ABO3结构的复合钙钛矿型的固溶体类陶瓷材料。由于这类材料的配方之中，PbO的含量有时会高达材料总重量的60％到70％，而Pb在生产及器件使用及后续处理的过程中会对环境造成一定程度的损害，因此如何降低压电陶瓷中存在的铅污染问题成了困扰全世界范围内研究者的一大难题。但是由于目前科学的发展和研究水平的局限性，至今世界各国的研究者还没有找到一种可以取代PZT基的压电陶瓷材料的无铅压电陶瓷材料。基于目前压电陶瓷的研究和生产现状，在不断致力于无铅压电陶瓷材料研究同时，继续对PZT基陶瓷的研究，挖掘其在性能方面的潜力，探索各种有效的途径，尽可能降低甚至避免Pb在生产及材料的后续使用过程中对环境的污染，依然是摆在压电陶瓷材料研究者面前的一个重大课题，这也正是本研究工作得以开展的基础。近年来，PZT压电陶瓷在以下方面得到了广泛的应用：1、高位移新型压电致动器自从发明压电致动器特别是多层压电致动器以来，其应用日益扩大，特别是精密定位方面。现在多层压电致动器在国外已经大量地应用于汽车的燃料注入系统和悬置系统。2、压电变压器压电变压器从50年代就己开始研制，但是直到90年代才进入商品化，获得成功的应用。压电陶瓷变压器体积小，质量轻，可以做成扁平形状，它实际上没有电磁噪声，只产生有限的热，而转换效率高达95％，所以90年代随着薄形电源以及高频(大于2MHz)开关电源对压电变压器迫切要求，对压电变压器的研制又重新活跃起来。现在己研制成多层压电变压器，最大功率已超过50W，并且己大量地应用在笔记本式计算机液晶显示器的背光电源以及复印机和传真机的高压电源。3、用于主动减震和降噪的压电器件许多机械结构往往会发生振动，由此又常常会引发噪声，对运动结构的减振降噪控制(如运行的机械、潜艇壳体、航空航天飞行器以及舱内)，具有重要的意义。特别是大型精密的航空航天的挠性结构，一般质量轻，阻尼小，一旦发生振动，其衰减过程十分缓慢；长期如此便会影响到结构运行的精度，甚至会引发结构疲劳、失稳等现象，因此对挠性结构的减振研究是十分必要的。传统的被动减振降噪方法是通过增加质量、阻尼、刚度、或者是通过结构的重新设计而改变系统的特性。压电材料自身具有的正反压电效应，使其成为挠性结构主动分布控制中检测器与执行器的理想材料。4、医用微型压电陶瓷传感器美国密苏里一罗拉大学陶瓷工程系的W．Huebner教授研制出一种微型电压陶瓷传感器，它比人的头发还要细小，可以将它用来帮助医生探测病人的心脏附近，如冠状动脉，具有潜在致命危险的胆固醇的累积情况，使用时，将这种十分细小的传感器插入动脉血管并通过微细光缆输送到心脏部位，用来诊断有生命危险的胆固醇堵塞部位的位置和厚度，为在血管内采用激光外科手术将其清除铺平道路。参考文献1、张传忠．压电陶瓷的新应用及新工艺【J】．压电与声光，2002，22(2)：90．94．2、郭丽，ALFREDLYASHCHENKO，董显林．共沉淀法制备富锆PZT粉体及其烧结性能的研究【J】．无机材料学报，2002，17(6)：1141．1145．3、江向平，廖军，魏晓勇．中温烧结PZN．PZT系陶瓷的压电性能研究【J】．无机材料学报，2000，l5(2)：281．286．4、董显林，孙大志，王永令．各向异性压电陶瓷研究的新进展川．压电与声光，1994，16(4)：28—31．5、董敦灼，陈旭明，熊茂仁．低温烧结PZT压电陶瓷材料【J】．电子元件与材料，1989，8(1)：58—62．6、曲远方．功能陶瓷及应用【M】．北京：化学工业出版社，2003：327．328．7、张福学．现代压电学(中册)【M】．北京：科学出版社，2002：1-3．8、贾菲．压电陶瓷[MI．林声和，译．北京：科学出版社，1979：1．10．10、陈重华．压电陶瓷应用【M】．北京：电子工业部电子陶瓷情报网，1985：1-8．11、钟俊辉．国外压电材料的发展概况【J】．电子材料，1995