《压电陶瓷压电基本原理、应用及制作工艺》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电陶瓷压电基本原理、应用及制作工艺（149页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 压电陶瓷压电基本原理 应用及制作工艺 内 容 压电陶瓷的用途 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷的制作工艺 配料 预烧 混合和粉碎 成型与排塑 烧结 极化 压电陶瓷的压电原理 压电现象与压电效应 压电陶瓷因受力 形变而产生电的 效应 称为正压 电效应 压电陶瓷点火示意图 气体喷嘴 高 压 引 线 压 电 振 子 磷 铜 片 压 电 振 子 外 壳 叩 击 机 构 压电蜂 鸣器 压电陶瓷的压电原理 压电现象与压电效应 压电陶瓷因加电压而产生形变的效应 称 为逆压电效应 节点支承 边缘支承 中心支承 压电陶瓷内部结构 压电陶瓷是多晶体 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷 由小晶粒无规 则镶嵌成 如 图所示
2、BSPT压电陶瓷断面SEM照片 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 压电陶瓷是多晶体 陶瓷显微结构 每个小晶粒微 观上是由原子或 离子有规则排列 成晶格 可看为 一粒小单晶 原子在空间排列成晶格示意图 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 压电陶瓷是多晶体 每个小晶粒内还具有铁电畴 PZT陶瓷中电畴结构显微照片 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 压电陶瓷是多晶体 整体看来 晶粒与晶粒的晶 格方向不一定相 同 排列是无规 则的 这样的结 构称其为多晶体 晶粒的晶格取向示意图 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 压电陶瓷是多晶体 钙钛矿型的晶胞结构 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 压
3、电陶瓷的晶胞 压电陶 瓷的晶胞结 构随温度的 变化有所变 化 钛酸钡晶胞结构随温度的转变 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 晶胞与自发极化 这种电极化不是由外电场产生 而是由晶体自 身产生的 所以成为自发极化 其相变温度TC称 为居里温度 BT中自发极化产生示意图 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 晶胞与自发极化 c轴方向决定自发极化取向 能量最低原则决定畴结构 晶粒中形成 一定的小区 排列状态 畴结构 晶胞自发极化取向 一致小区的存在 自发极化取向不一 致小区的搭配 晶格匹配要求 能量最低要求 相结构决定畴壁类型 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 电畴形成 压电陶瓷的压电原理 因
4、为晶粒为四方相时 自发极化取向与原 反应立方相三个晶轴之一平行 所以 相邻两 个畴中自发极化方向只能成90 角或180 角 相应电畴交界面就分别称为90 畴壁和180 畴 壁 四方相晶体 90 畴壁和180畴 示意图 压电陶瓷内部结构 电畴形成 电畴在外电场作用下的运动 a 极化前 b 极化过程 c 极化后 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 电畴的运动 在交变电场作用下 因电畴与自发极化的运动 压电陶瓷可观察到电滞 回线 即具有铁电性 图中 PS为自发极化 强度 Pr为剩余极化强度 EC为矫顽场强 压电陶 瓷极化工序中 一般选择 电场强度为2 3倍的EC 压
5、电陶瓷的压电原理 压电陶瓷内部结构 电畴与电滞回线 第一次极化 以后的极化 压电效应的再理解 瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图 压电陶瓷的压电原理 正压电效应示意图 瓷片压缩 极化 强度变小 释放部分 吸附自由电荷 出现 放电现象 F撤除 瓷片回复原状 极化 强度变大 吸附一些 自由电荷 出现充电 现象 这种由机械能 转变为电能的现象 称为正压电效应 压电陶瓷的压电原理 压电效应的再理解 逆压电效应示意图 在瓷片上施加 与极化方向相同电 场 极化强度增大 瓷片发生伸长形 变 反之则发生缩 短形变 这种由电 能转变为机械能的 现象 称为逆压电 效应 压电陶瓷的压电原理 压电效应的再理解
6、压电陶瓷的用途 应应用领领域举举 例 电电源压电变压压电变压 器 雷达 电视显电视显 像管 阴极射线线管 盖克技术术管 激光管和电电子复制机等高压电压电 源和压电压电 点火 装置 信号源标标准信号源 振荡荡器 压电压电 音叉 压电压电 音片等用作精密仪仪器 中的时间时间 和频频率标标准信号源 信号转换转换电电声换换能器 拾声器 送话话器 受话话器 扬扬声器 蜂鸣鸣器等 声频频范围围的电电声器件 发发射 与接收 超声换换能器 超声切割 焊焊接 清洗 搅搅拌 乳化及超声显显示 等频频率高于20KHz的超声器件 压电马压电马 达 探 测测地质质构造 油井固实实程度 无损损探伤伤和测测厚 催化反应应
7、超声衍射 疾病诊诊断等各种工业业用 的超声器件 水声换换能器 水下导导航定位 通讯讯和探测测的声纳纳 超声探测测 鱼鱼群探测测和传传声器等 信 号 处处 理 滤滤波器 通讯讯广播中所用各种分立滤滤波器和复合滤滤波器 如彩电电中频频 滤滤波器 雷达 自控和计计算系统统所用带带通滤滤波器 脉冲滤滤波 器等 放大器声表面信号放大器以及振荡荡器 混频频器 衰减器 隔离器等 表面波导导声表面波传输线传输线 传传 感 与 计计 测测 加速度计计 压压力计计 工业业和航空上测测定振动动体或飞飞行器工作状态态加速度计计 自动动 控制开关 污污染检测检测 用振动计动计 以及流速计计 流量计计和液面计计 等 角速
8、度计计测测量物体角速度及控制飞飞行器航向的压电压电 陀螺 红红外探测计测计 监视领监视领 空 检测检测 大气污污染浓浓度 非接触式测测温以及热热成像 热电热电 探测测 跟踪器等 位移与致动动器激光稳频补偿稳频补偿 元件 显显微加工设备设备 及光角度 光程长长的控制 器 存 贮贮 调调制电电光和声光调调制的光阀阀 光闸闸 光变频变频 器和光偏转转器 声开 关 存贮贮光信息存贮贮器 光记忆记忆 器 显显示铁电显铁电显 示器 声光显显示器等 其它非线线性元件压电继电压电继电 器等 压电陶瓷的用途 压电陶瓷的用途 压电陶瓷泵 阀 出口 压电陶瓷 换能器 进口 压电陶瓷的用途 压电陶瓷喷墨打印 金属片
9、圆锥形容器 内液层 外墨水池 喷嘴 金属膜 墨水 压电陶瓷 换能器 输入信号 压电陶瓷的用途 2 5 4 3 1 1 焊接程序控制器 2 超声发生器 3 换能器声学系统 4 焊件 5 工作台 压电陶瓷超声波焊接 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声波焊接 压电陶瓷的用途 压电陶瓷加湿器 雾气出口 水箱 压电振子 水 雾 风机 压电陶瓷的用途 压电陶瓷加湿器 压电陶瓷的用途 压电陶瓷变压器 升压型 输入端 极化方向 极化方向 驱动部分 发电部分 振动方向 输出端 t w l 2 t w 压电陶瓷的用途 压电陶瓷变压器 降压型 压电陶瓷的用途 压电陶瓷 复印机电源 压电陶瓷的用途 笔记本电脑背光电源 压电
10、陶瓷的用途 压电陶瓷变压器 便携式激光电源 压电陶瓷的用途 激光血管内 照射治疗仪 压电陶瓷的用途 压电陶瓷极化台 压电陶瓷的用途 压电变压器电警棍 压电陶瓷的用途 压电陶瓷变压器雷 达显示器高压电源 压电陶瓷的用途 压电陶瓷变压器 升压型 压电陶瓷的用途 压电陶瓷变压器 降压型 压电陶瓷的用途 压电陶瓷水声设备 1 水声通讯 仪 2 主动 式声纳 回声 定位仪 3 被动式声纳 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 驻波型 1 2 3 4 5 1 压电元件 2 弹性衬垫 3 弹簧 4 转子 5 磨衬垫 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 行波型 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 压电陶瓷超声马达 行
11、波型 环形压电马达工作原理 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 基于压电驱动器杆状微马达 摄像用 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声马达 压电陶瓷的用途 超声马达在国外已应用的领域 智能飞机 磁悬浮列车 汽车手机 人造卫星 细胞穿刺智能药片 压电泵 集成式 USM彩色复印机 火星探测器半导体制造业照相机手表 昆虫机器人 变形机翼 应用压电作动器 天文望远镜空中机器人太空机器手 压电陶瓷的用途 南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用 无磁性USM双模态步进USM三自由度USM带编码器USM大推力直线USM 便携式汽油发动机云台控制系
12、统 方板型直线USM 移动机器人核磁共振注射器关节机器手 X Y运动台 直线USM 行波型杆式USM模态转换型USM用于二元机翼模型试验 非接触性USM X Y运动台 旋转USM 压电陶瓷的用途 压电陶瓷驱动器 压电陶瓷的用途 压电陶瓷驱动器 压电陶瓷的用途 压电陶瓷驱动器 基于压电驱动器的全方位微移动平台 压电陶瓷的用途 压电陶瓷超声清 洗 压电陶瓷的用途 压电陶瓷换能器 压电陶瓷的用途 压电陶瓷电声元器件 蜂鸣器 扬声器 压电陶瓷的用途 压电陶瓷电声元器件 压电陶瓷的用途 压电陶瓷探伤仪 压电陶瓷的用途 压电陶瓷测厚仪 压电陶瓷的用途 压电陶瓷点火元器件 压电陶瓷的用途 压电陶瓷发电 框图
13、 压电陶瓷的用途 压电陶瓷发电 鞋 压电陶瓷的用途 基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用 压电光纤用作能量采集器 压电陶瓷的制作工艺 压电陶瓷的制作过程主要步骤 极 化 测 试 上 电 极 机 加 工 配 料 混 合 预 烧 粉 碎 成 型 排 胶 烧 成 配料 原料的选择和处理 压电陶瓷的制作工艺 原料是制备压电陶瓷的基础 选择原料一 般应注意其化学组成和物理状态 1 纯度 对纯度的要求应适度 高纯原料 价格昂 贵 烧结温度高 温区窄 纯度稍低的原料 有的杂质可起矿化和助熔的作用 反而使烧结 温度较低 且温区较宽 过低纯度原料杂质多 不宜采用 2 杂质含量 压电陶瓷的制作工艺 配料 原料的选择
14、和处理 杂质允许量主要根据以下三点因素决定 1 杂质类型 有害杂质 对材料绝缘 介电 性等影响极大的杂质 特别是异价离子 如B C P S Al等 愈少愈好 有利杂质 与材料A B位离子电价相同 半径接近 能 形成置换固溶的杂质 如Ca2 Sr2 Ba2 Mg2 Sn4 Hf4 等离子 一般在0 2 0 5 范 围内 坏的影响不大 甚至有利 压电陶瓷的制作工艺 2 材料类型 配料 原料的选择和处理 接收型压电陶瓷材料 已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质 原料中在0 5 以内的杂质不足以显著影响施主杂质 的既定作用 发射型压电陶瓷材料 要求低机电损耗 因而配料中的杂质总量 愈少 愈好 一般
15、希望在0 05 以下 对于为了提高其它 性能参数的有意添加物 另当别论 3 原料在配方中的比例 配料 原料的选择和处理 压电陶瓷的制作工艺 在PZT配方中 比例大的原料Pb3O4 ZrO2 TiO2分别占重量比的60 20 和 10 左右 若杂质多 引入杂质总量也多 因此 要求杂质总含量均不超过2 即要求 纯度均在98 以上 配方中比例小的其它原料 杂质总含量 可稍高一些 一般均在3 以下 即要求纯度 均在97 以上 特殊要求例外 压电陶瓷的制作工艺 3 稳定性与活泼性 配料 原料的选择和处理 稳定性是指未进行固相反应前原料本身的稳 定性 如碱金属和碱土金属氧化物易与水作用 在空气中不易保存
16、不稳定 如Na Ca Ba Sr Mg的氧化物 不宜采用 宜采用与水不起 作用 稳定的 加热又能分解出活泼性大的新鲜 氧化物的相应的碳酸盐 如Na2CO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3 MgCO3等 压电陶瓷的制作工艺 活泼性是指在固相反应中原料本身的活 泼性 活泼性好的原料能促使固相反应完 全 利于降低合成温度 减少铅挥发如 Pb3O4原料比PbO原料活泼性好 因其在 加热中可分解脱氧成新鲜活泼性大的PbO 配料 原料的选择和处理 3 稳定性与活泼性 压电陶瓷的制作工艺 4 颗粒度 配料 原料的选择和处理 原料颗粒度要求小于0 2 m 微量添加物应更 细 这样 可增加混料接触面积 利于互扩散反 应 使组成均匀 还可减小陶瓷内应力 增加机 械强度等 原料处理方面有以下常用方法 采用的原料 若颗粒较粗 如MnO2 出厂 未细磨的ZrO2等 必须细磨 可采取振磨 球磨 行星磨等 小量原料也可用研钵研细 配料 原料的选择和处理 压电陶瓷的制作工艺 烘干 为了不影响配料的准确性 含水原料必须 进行烘干脱水处理 一般在电热式干燥箱中干 燥 温度110 120 时间不少于4小时 直至 无水分
