材料科学与技术第22课

5、无铅钙钛矿结构压电陶瓷铅有毒、减小环境污染、简化材料制作工艺无铅铁电陶瓷的开发研究组分：以其它金属的铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿型化合物性能：压电性一般不如锆钛酸铅、介电常数和机械品质因数小，频率常数高、在高频应用方面显示某些优势3、锆钛酸铅压电陶瓷4、锆酸铅—钛酸铅—ABO3三（多）元系压电陶瓷2、钛酸钡压电陶瓷第五节压电陶瓷二、钙钛矿结构压电陶瓷KNbO3

和BaTiO3

的晶相变化十分相似：从高温到低温依次为:立方、四方、斜方、三方结构（1）铌酸钾钠系钙钛矿结构压电陶瓷KNbO3相变温度比BaTiO3

高：

斜方（室温）四方立方（失去铁电性）铌酸钠（NaNbO3

）:

室温下反铁电性斜方相、施加电场可诱导出亚稳定的铁电相KNbO3和NaNbO3可形成完全固溶体、结构仍为钙钛矿型机电耦合系数呈现平坦的峰值、压电性能较好附近Na、K易挥发、采用热压或热静压法烧结应用：延迟线换能器（2）铌酸钠锂系钙钛矿结构压电陶瓷铌酸锂（LiNbO3）：一种畸变的钙钛矿型化合物、室温下为六方铁电相铌酸锂与铌酸钠能形成多种固溶体：附近存在同质异晶相界、性能异常、铁电性达到峰值特点：厚度机电耦合系数较高、介电常数低、频率常数大、远大于径向机电耦合系数体密度小、机械品质因数适中应用：超声控能器、工业探伤、测厚仪等?6、钙钛矿结构陶瓷—有机复合压电材料锆钛酸铅及其三元固溶体：压电性能优良，但介电常数很高、对某些性能不利（如、压电电压常数:

和热释电性能）陶瓷和聚合物形成的复合材料：介电常数：

低；声阻抗：PVDF—

水和人体：聚合物：接近有机聚合物具有高的柔顺弹性相互取长补短、制作成本低声阻抗：大、与水和人体不匹配5、无铅钙钛矿结构压电陶瓷3、锆钛酸铅压电陶瓷4、锆酸铅—钛酸铅—ABO3三（多）元系压电陶瓷2、钛酸钡压电陶瓷第五节压电陶瓷二、钙钛矿结构压电陶瓷6、钙钛矿结构陶瓷—有机复合压电材料三、钨青铜型压电陶瓷三、钨青铜型压电陶瓷氧八面体分为B1

和B2

两种：所处位置的对称性不同BO6氧八面体三种空隙名称源于化合物：钨青铜的结构特征：氧八面体结构B以Nb5+、W6+等离子为主氧八面体以八面体顶角相连构成骨架、形成O—B—O链氧八面体骨架间形成三种不同的空隙：A1、A2

、C：

A2体积最大、A1居中、C最小氧化物铁电材料中有一部分具有钨青铜结构：如：PbNb2O6,NaSr2Nb5O15铌酸盐系中正离子的填充位置：Nb5+:

氧八面体中心其它正离子：填充或部分填充A1、A2、C正离子在其中填充的数目取决于电中性的要求非填满型钨青铜结构：A1和A2位未被填满（C体积小、更不可能填满）填满型钨青铜结构：A1和A2位全部被正离子填满，C体积小、可能部分填满Ba4Na2Nb10O30A1、A2

处：较大正离子；C处：较小正离子完全填满型钨青铜结构:K6Li4Nb10O30钨青铜型铁电体的成分和结构对其性能有很大的影响1、偏铌酸铅（PbNb2O6）压电陶瓷PbO

和Nb2O5形成的多种化合物的一种：第一个被发现的非钙钛矿结构的氧化物铁电体熔点：RT时：斜方铁电相居里温度：高，四方顺电相特性：在较高温度下不发生严重的退极化，d33/d31比值大,静水压压电性能比其它压电陶瓷高得多；异常低的机械品质因数（谐振时机械能损耗大）、有特殊的应用A1、A2和C位全部都被正离子填满应用：超声缺陷检测、人体超声诊断及水听器等2、偏铌酸铅钡压电陶瓷偏铌酸铅(PbNb2O6)和偏铌酸钡(BaNb2O6)的固溶体铁电性：固溶体的性能在相界附近达到最佳有同质异晶相界：204060800.10.20.3200600100040050015001000相对介电系数机电耦合系数居里温度相界的富PbNb2O6

一侧：斜方铁电相富BaNb2O6一侧：四方铁电相相界区域较宽（10%左右）、相界区的峰值（性能）较平坦应用：滤波器、机电换能器、点火装置、超声检测、红外探测等3、铌酸铅钡钠锂系压电陶瓷添满型钨青铜结构的化合物应用：大功率发射换能器等有同质异晶相界：材料性能出现异常、性能参数达到峰值相界处的居里温度：较高、属于高温性能良好的铁电体固溶体四、压电陶瓷的应用性能独特、应用广泛按工作频率可分两大类：①低频或静态条件下直接利用正、逆压电效应实现机械能和电能之间的相互转换相关联的主要材料参数：压电系数正压电效应产生的电荷量或逆压电效应产生的机械形变量都很小、低频下能实现的能量转换的绝对值不大②在高频或共振状态下过程相关的主要材料参数：机电耦合系数大大提高了压电陶瓷所转换的能量、成为扩展其应用的重要手段按能量转换方式的压电陶瓷的分类P128,Table5.8具体应用1、在水声技术中的应用压电陶瓷水声换能器利用正、逆压电效应接收声波、发射声波实现水下观察、通讯和探测①背景电磁波在水中传播时衰减很大、使用雷达和无线电信号不能有效地实现水下观察、通讯和探测借助声波在水中的传播是最基本、最有效的手段②应用海洋地质勘探、编制海图、航道疏通及港务工程、海底电缆及管道铺设工程、导航、海事救捞、指导海业生产及海底和水中目标物的探测与识别③压电陶瓷用于水声技术的三方面功能发射、接收及发射和接收兼具发射换能器压电陶瓷：一般采用硬性压电陶瓷应有高驱动特性、大功率、低损耗、承受功率密度大、各项参数稳定性好电能机械能（逆压电效应）接收换能器用压电陶瓷机械能电能（正压电效应）一般采用软性压电陶瓷应具有高灵敏度和平坦的频率响应（高机电耦合系数）、大的介电常数、及低的老化特性兼有发射和接收的换能器压电陶瓷材料兼顾上述两种性能、较多的采用添加Cr、Ni等变价离子置换的二元和三元系压电陶瓷正、逆压电效应2、在超声技术中的应用声波（可听到）：超声：f＞20KHz声波的分类次声波：f＜20Hz；超声波的特点：方向性好（定向发射）、穿透性强、衰减小、强度大按功能分类：发射型、接收型、及发射和接收两用型材料性能要求：硬性材料、高机械强度、高矫顽电场、(1)发射型（逆压电）在频率为其谐振频率的高驱动电场作用下、产生高强度的超声波应用：超声洗涤、乳化、焊接（超声产生大阻尼、发热、升温）、压电常数d33打孔、粉碎（超声碎石）、分散搅拌等机电换能器大机电耦合系数、良好的时间和温度稳定性(2)接收型如心音计、血压计等要求材料具有高灵敏度（软性材料）(3)发、收两用型（正、逆压电效应）压电陶瓷超声换能器的优点：压电换能器兼具发射和接收超声波的两种功能应用：车辆计数器、超声波测距、液面计、超声防盗、医疗超声诊断（B超）等结构简单、小型轻便、使用方便、灵敏度高、选择性好、耐振动冲击、稳定性好3、高电压发生装置上的应用两个方面①高电压发生器利用正压电效应、将机械能转换成电能、产生较高的电压压电陶瓷的最早应用之一如：压电点火器、引燃引爆、压电开关和小型电源材料性能要求：大的压电电压系数较大的机电耦合系数；较高的机械强度和稳定性;较大的介电常数（储存的电能密度：）

②压电变压器构成：压电变压器由驱动部分：施加交变电场以产生振动和发电部分：机械能转化为电能组成~13谐振频率驱动部分：施加一定频率（一般为压电陶瓷的谐振频率）的交变电场、逆压电效应产生1方向的谐振；原理：13发电部分：驱动部分的谐振引发发电部分沿3方向谐振、发电部分端面产生大量的电荷、电极上获得高电压输出压电变压器升压比:材料性能要求：高机电耦合系数K（横向和纵向）、材料的热稳定性好、Qm要适当，频率的温度和时间稳定性好应用：小功率仪表上产生高电压、小电流I:

几mA;

V：几十—几百;Wmax:—100W~13谐振频率13优点：升压比高、制造方便、结构简单、安全、便宜、不怕潮湿、短路等4、在电声设备上的应用

材料性能要求：具有高灵敏度、平坦的频率响应（软性材料）原理：

压电陶瓷的正、逆压电效应，声能转换成电能或电能转换成声能应用：播音器（声→电），扬声器（电→声），送、受话器，蜂鸣器等5、滤波器上的应用滤波器的功能：决定或限制电路的工作频率压电陶瓷的滤波原理：电能→弹性机械能→电能材料性能要求：谐振频率的时间和温度稳定性好、Qm

要大，谐振频率附近的电场分量、振子的阻抗最小、信号衰减小、输出电流大；其它频率的电场分量、振子的阻抗大、信号衰减大、输出电流小压电陶瓷振子的阻抗是电场的频率函数：实现滤波压电陶瓷滤波器的