《先进陶瓷材料及进展》 第8章铁电压电陶瓷

1、第八章 铁电压电陶瓷,8.1 压电陶瓷,重点掌握的几个概念： 压电效应 预极化 准同型相界 软性取代 硬性取代,石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,当外力f=0时，压电陶瓷表面存在一层表面电荷，其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等，符号与束缚电荷相反，因而晶体对外不显示电性。,在外力f的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电性压电效应。,在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同，则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生了形变逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短；若加上交变电场，则晶体产

2、生振动。,晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。 所有铁电单晶都具有压电效应。 对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使p =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极化处理，使p 0，才能对外显示压电效应。 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。,陶瓷的预极化示意图,压电材料分类： 压电单晶 压电陶瓷 压电聚合物 压电复合材料,压电陶瓷的晶体结构： 1. 钙钛矿结构 2. 钨青铜型结构 3. 铌酸锂型结构 4. 铋层状结构,1. 钙钛矿结构,abo3： a：1,2,3 na，k，ba2+，la3+

3、b：5,4,3 nb5+,ti4+，fe3+,2. 钨青铜型结构,bo6氧八面体以顶角相连构成骨架。 b离子为nb、ta、w等。 bo6骨架间存在三种空隙：a1（较大）、a2（最大）、c（最小） 氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为b1和b2 填满型与非填满型。,钨青铜结构在（001)面上的投影,3. 铌酸锂型结构,顺电相,铁电相,氧八面体以共面形式重叠 li位于氧八面体的公共面 nb位于氧八面体中心 极化时，li,nb偏离中心位置，沿c轴出现电偶极矩,4. 铋层状结构,bi4ti3o12,铅基压电陶瓷,1. 单元系 2. 二元系 3. 三元系,单元系,pbtio3 钙钛矿结构铁电体，tc

4、高，480。 各向异性大（c/a1.063），晶界能高，难以制备致密、机械强度高的陶瓷。 矫顽场强较大，预极化困难。提高极化温度有利于极化，但抗电强度下降，易击穿。 掺入少量稀土、nio、mno2等，可促进烧结。 晶粒大小与机电耦合系数k有关。,batio3系与pbtio3系压电陶瓷 自从18421843年之间美、日、苏联学者各自独立发现batio3 中存在异常的介电现象，1847年又发现预极化后的batio3陶瓷的压电性能，并制成压电元件用于拾音器、换能器； 二战期间， batio3成功用于水声及电声换能器、通讯滤波器上，在很长的一段时间内，batio3陶瓷是主要的压电陶瓷材料，但目前其作用

5、范围在不断缩小。,pbnb2o6 钨青铜结构 tc高（570） 压电系数的各向异性大，d33/d3110 机械品质因素特别低（q11）,主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等,铅基二元系压电陶瓷,人们在1853年起开始试制成功pbzro3-pbtio3二元系固溶体压电陶瓷，其各项压电性能和温度稳定性等均大大优于batio3、pbtio3压电陶瓷，因此得到了广泛的应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。 下面主要介绍二元系压电陶瓷pzt系陶瓷。,pbzro3-pbtio3系陶瓷的相结构,pbzro3和pbtio3的结构特点比较： pbzro3 pbtio3 结构 钙钛矿结构 钙钛矿结构 tc

6、(立方顺电) 230（正交晶系） 480 类别 反铁电体 铁电体 1(1.063) tc 立方顺电相 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。,pzt瓷的掺杂改性: 为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的pzt压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代a位的pb2+离子或b位的zr4+,ti4+离子，从而改进材料的性能。,a. 等价a位取代 等价取代是指用ca2+、sr2+、mg2+ 等二价离子取代pb2+，结果使pzt瓷的，kp ，d，从而提高pzt瓷的压电性能。,b. 软性取代改

7、性（高价缺位取代） 所谓“软”是指加入这些添加物后能使矫顽场强ec ，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。 软性取代采用la3+ 、bi3+、sb3+ 等取代a位pb2+离子或nb5+、ta5+、sb5+、w6+等取代b位的zr4+、ti4+离子。经取代改性后的pzt瓷性能有如下变化：,c. 硬性取代改性（低价取代） 硬性取代采用k+，na+取代a位的pb2+离子，fe2+、co2+、mn2+(或fe3+、co3+、mn3+)、ni2+、mg2+、al3+、ga3+、in3+、cr3+ 等离子取代b位的ti4+，zr4+离子。 取代后ec ，极化变难，性质变“硬”。 作用：ec 、kp

8、、tg 、qm （抗老化性 ）、v ,硬性添加剂加入后极化困难，只有在高温下预极化，但t 时v ，这就使预极化场强不能太高，从而ps 这是k p 的一个原因。 硬性添加剂加入后形成 ，由于 不可能很多，否则将破坏钙钛矿结构（氧八面体共顶点形成骨架），因而硬性添加剂固溶度有限，多余部分向晶界偏析，可抑制晶粒生长，使晶粒细化，材料致密，从而qm 。,d 软硬兼施 pzt中加入w(软)、mn(硬)可使kp 、 qm ，软硬兼优； 加nb2o5(软)、al2o3(硬) 软硬抵消,三元系铅基压电陶瓷,a、所谓三元系压电陶瓷，是在pzt的基础上再添加三元-复合钙钛矿型物质(a,a)(b,b)o3 而组成的。在实际大多数多元系压电陶瓷中，a位元素仍是铅，所改变的只是处于八面体中的b位的元素。因此：在钙钛矿结构的三维八面体网中，在相互固溶的情况下，八面体的中心将有四种或更多电价不一定为4的元素（包括zr和ti）统计地均匀分布，改变其元素种类与配料，就可调整、优