压电材料的发展及应用

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1、第1 5卷第3期19 93年6月压电与声光PT EZ OEL E!TRICS用于 固体、液体和气体的超声换能器;医用换能器和开关器件等。Pv DF有机压电薄膜还具有相当优良的 热 电性,使其在这一领域也能发挥作用。此外,氧化锌、氮化铝和五氧化二祖等薄膜型压电陶瓷材料,已成为当今微波器件的关键材料。我所在这些方面的研究上也取得子显著的成就,其 中氧化锌薄膜材料已实用化多年1 2一。3压电材料的应用十分广泛可以毫不夸张地说,压电材料的应 用遍及 当今社会日常生 活的每个角落,人们几乎每天都有可能涉及 到压电的应用。香烟、煤气灶、汽车发动机等等的点火要用 到压电点火器;电子手表要用到压电谐振器;声控

2、门、报警器、儿童玩具、甚 至于 电话,要用压 电蜂 鸣器;银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理,以及侦察、破案等场合,要用能验证每个人笔迹和声音特征的压电力敏传感器。家用电气产 品更是大量采用 压电器件,如电视机要 用 压电陶瓷滤波器、压 电sAw 滤波器、压电变 压器,甚至压电风扇;收录机要 用压电微音器、压电扬声器,照相机和录像机要用到压电电机;收音机要 用 压电陶瓷滤波器 和高保真喇 叭;电唱机要用 压电拾音器和压电电第3期压电材料的发展及应用机;闪 光灯和除尘器 要用压电高压发生器等等,简直是不胜枚举。压电器件不仅在工业和 民用 产品上用途广泛,在军事上也同样地获得了大量应 用。雷

3、达、军用 通讯机和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器 和 压 电sAw滤波器。正如美国技术和市场评价公司近来在塔马报告中所指出的,压电滤波器是一种人们不大注意,但却又是十分重要的基础类元件,没有它们,现代通讯、航行和防御设备就都不起作用。这种必不可少的 作用 使压电滤波器形成 了巨大市场,目前压电滤波器的应用还在继续扩大。我所至今已研制和 生 产了许多 品种和 不 同规格的压 电陶瓷滤波器、压 电sAw滤波器、SAw延迟 线和 振 荡器等;研制和 生产的各种型号的压电加速度计、压电陀螺、压电倾斜仪等,都已广泛地用于军事与民用领域”一 o。下面着重谈谈压电陀螺的应用,特别是在军事上的应用。

4、它最先是用于试验测量仪、器,作为一种物理量的传感器,如 测量角速率、角加速度等。它的 另一种应 用是作为自动控制仪表的传感器,是自动控制系统中的基本元件。美 国在1 96 8年就已将其置于波音707喷气式客机自动驾驶仪的偏航阻尼通道中作飞行试验。将陀螺放在横滚阻尼系统的反馈环中,传感偏航速率,提 供一个反馈信号,使舵偏转,用来抑制飞机的横滚振动,保持飞行器平稳。在航空 应用方面,美 国还在波音747、F一4、A一 0等飞机上 使用过,都充分体现 了压电陀螺寿命长、体积小和成本低等优点。美国在研制海军炮射导弹的制导 系统时,也使用了通 用电器公司的压电陀螺。这种导弹制导系统用了三 个压电陀螺来传

5、感导弹的惯性速率,起跟随作用。它解决了以往的普通 陀螺不 能解决的间题。一是做到了体积 小,可以装在直径127m m的弹壳内;二是可以承受 发射时高达4 900 0m/ s2的冲击加速度。目前国外正 积极地在航 空、导弹、鱼雷和汽车方面推销压电陀螺。我所是 国内开始研制压电陀螺最早的单位,研制成 功 的产 品 最先是服务于 空间飞行试验,并获得了令人满意的效果。由于它有不少突出的优点,所以作为一种测量仪表很受欢迎。以后又相继在飞机、大炮、舰船、雷达等方面获得成功的应 用。国内压电陀螺在控制 系统中首次获得成功应用是在舰船的雷达天线稳定系统中。舰船在海上航行时往往会因为风浪而摇晃,这样安装在甲板

6、上跟踪 目标的雷达天线也会随着摇晃,易使跟踪系统失灵而丢失 目标。采 用压电陀螺的伺服稳定系统,可以克服舰船摇晃对雷达夭线的影响,实现对目标 的准确 跟踪。这样的伺服稳定系统对摇晃的抑制能力达40 dB以上,整个 系统在海上的跟 踪精度达0.5密位。在军事上,随着压电陀螺技术的不断发展,对提高飞机、导弹、鱼雷、坦克和大炮的稳定性,对 改进攻击目标时跟踪的准确性将起着无法估量的作用。表1列 出 了 压电产 品在 电子学中的 应用2,。4压电陶瓷的发展趋势为了改进压电陶瓷的微观结构,提高材料的性能,近几年来,许多国家都在积极开展高技术陶瓷及其粉体的研制和生产 2 2。高技术陶瓷,日、本称之为精细陶

7、瓷,是继金属和 塑料之后的第三代新材料。它是高技术的产物,也是高技术发展中不可缺少的基础材料,已广泛地用于微电子、新能源以及汽车、海洋、宇航工业和生物工程、机器人等尖端技术领域2 3 1。美国有些专家认为,美国工业竞争的成败取 决于经济要素和陶瓷技术的领先地位。由此可以看出它在工业发展中的地位和作用,我 国政府也把精细陶瓷列为国家重点材料发展项 目之一。精细陶瓷及其粉体可分为结构陶瓷 及其粉体和功能陶瓷及其粉体。压电陶 瓷即属干功能陶瓷这一 范畴。功能陶瓷当然还包括电压电与声光1993年表l电子学领域一产滤波器、鉴频器、放大器、衰减器、延迟线、混频器、卷积器;电光调制器、弹光调制器、光偏转器、

8、光开关、热光开关、可调滤光器、光倍频器、光混频器、光频移和脉冲压缩器;声光偏转器、声光调制器、声光可调滤光器、声光颇谱分析仪。铁电存储器、铁 电显示 器;光铁 电存储显示器、光折变全息存储器、x射线全息存储器.电匀声处理光信号信号处理存储显示信息和 图像储示存显接收发射声纳、鱼探仪、超声测声仪、水下扬声器和传声器;超声探伤仪、超 声厚度计、混凝土探伤仪、地质结构探测仪;拾音器、传声器、耳机、扬声器、电视遥控仪.发射与接收水中、地下和固体中的超 声波加速度表、陀螺、声阻抗检测仪、微位移器、微量夭平、热释电探测器、压力计、方位探测器、车辆识别器、计数器、流量计、流速计、风速计、声速计、液面计、诊断

9、计测和自动控制仪。电信号发生器压电振荡器电声换能器超声换能器送受话器、拾音 器、传声器、扬声器、蜂鸣器。水声换能器工业超声换能器遥测遥控超声换能器标准信号源长距离通话,电子手表报时.报替舰船声纳.海上浮标清洗.切割.焊接,探伤遥侧.遥控.防盗.报警声信号发生器信号发生器压电发电机压电打火机、汽车点火器、压电引信、x光机高压电压压电电源静电除尘器、负离子发生器、静电复 印机、静 电涂极机引嫩.引爆,高压源电压源变压器电视显象管等的电深容器瓷、敏感瓷、磁性瓷和基片瓷等。下面介绍压电陶瓷材料在高技术陶瓷,也即精细陶瓷及其粉体制作工艺方面的发展情况。钦酸铅(Pb Ti o:)是一种钙钦矿(A丑03)结

10、构的压电材料,如上所述,其 铁 电相变温度高,为4 9oC。居里温度高以及介电常数低,使这种组成成为很有前途的高温和高频用压电材料。此外,p bTjo:陶瓷的横向和纵向机电祸合系数之 间显示出大的各向异性。这使得这种 材 料 能用来 制作 能以很高频率(SMHz)工作的换能器阵列。然而,现在制备这种材料的常规方法,无法避免冷却时立方一四方相变中所产生的显微裂纹(内应力)现象。这种材料在应 用中必须能承受大 的机械强度和电场而不会过热,只要存在内应力,这是无法做到的。因此,必须更好地控制其微观结构,采用以乙醇草酸盐溶液为基 础的化学法才能达到这一目标。西班牙陶瓷研究所已利用这种方法,制成了用C

11、a和L a改性的P bT IO:陶瓷,使工艺参数达到 了最 佳化,从而获得很细粒度(平均粒径为32nm)的共沉淀和松团焙烧的精细粉体,并取得 了超过理论值” %的密度卿。而认一PbT io:和c a一Pb Tjo:这二种压电陶瓷的烧第3期压电材料 的发展 及应用结温度也分别降到!15 0C和110 0C。这 些 材料电气特性 的初步 测量结果表明,它 们非常适合制作高频阵列 换能器。该研究所 的 另一项研究成果是利用氢氧化物和草酸盐的共沉 淀,制备掺N i的PzT压电超细 粉体。这些方法比常规 的处理 方法更 加可取,因 为 它们 能降低烧结温度川00C),从而避免了p b o的挥发。Pbo的

12、损失会导致Pz T组成的变动,影 响烧结工艺和最终的电气特性。用这种工艺制成的亚微米规格粉体,烧成陶瓷体后,其 密 度达9 5%9 8%,径向 藕合 系数大于6 0%,而 测 得 的d3 3常数 高达3 60 义一o一”eN一,。美 国华盛顿 大 学 也 采 用共沉 淀 法,并结合冷冻干 燥工艺,合成 了P b(Z r厂i,一二)o。精细粉体。在冷冻干燥前,要先清洗沉 淀物,清除硝酸盐,然后将其分散在合适的溶剂中,这些都是控制聚集成形 的关键 步骤。焙烧之 后,即 获得化学均匀 的松散团聚粉 体。然后将这些未经研磨的粉体压实到只有细小 的纳米级孔 隙分布的 程度,并以80 0C进行烧结。这样可

13、 获得9 8%以上 的理论 密 度,而且烧结时,Pbo的挥发明显地减少了。西班牙材料研究中心的一些研究人 员,用溶胶一凝胶法制成了纤维状的P bT i03。他们先采用溶胶一凝胶 法制备T IOZ一P bo化学原 始粒子,然后将刚制成的凝 胶浆 料挤压成纤维。将挤 压成 的纤维老化和干燥之 后,就获得了单块的T i仇一Pbo纤维凝胶。为了 促进液相烧结,而将L jF、C aF:和Mno:添 加 到最初的 溶胶中。再以3C/mi n的 升 温 速 度,在I05OC下在大气 中烧结半小 时后,即可获 得平均直径镇5 00om的纯的pbTio3纤维。这 些纤 维 具有孔 隙分布均 匀的 孪 生PbT

14、i03晶体微观结构。由于具有这样的微观结构,所以能够用高电场(10 0kV/em)进行极 化。同时,这些纤维的奇 特 微观结构,也减小了 极化时大的四方畸变所 产生 的晶粒间应 力。日本开展用超 细原始压电粉 体制 作PzT和Pb Ti o。陶瓷非 常积 极。松下 电气工业公司早已采 用 粒 径 为0.Zom的 原 始 粉 体 制 作 这些 陶 瓷。这些能以较 低 温度(现 为114 0C,以前为13 0OC)烧成 的 材 料,其 强 度 却比普通Pz T大一 倍。美 国的摩 根马特劳克公司现已开始采用两 仲改进 的PZT材 料(PzT- 一和PzT一SM户。将它们用作超声功率、声纳和致动器件

15、时,具有不少明显的性能优势。这些材料的压 电性,比普通的压 电材料好,而又保留了其它 的一些电气特性,例如,介 电常数和 频率常数等。另外,PZT一4 S和PZT一SM的温度和时 间稳定性都 有 了很大 提 高。由于这 些压电 材 料是用 化学 法 取 得 的,所以不 再需要新 的处 理 技 术;又因 为它 们的介 电和频 率常数都是 相 同 的,所以能 够 用PZT一SM直接代替现在所使用的原品 位材料,而无 需更 改器 件的形状、结构以及驱动/传感器等 的 电子元件。目前美国还正在研究 合 成PZ T粉 体 的其它 化学方法。宾 州大学介电研 究 中心正 在探索用铅、错 和钦 原始粒子,在

16、不 同的反应 温度下合成Pz T粉体的水 热法。这些 粉体往 往需要在60 0C下焙烧6 h后,才能形成钙钦 矿型 的PZ T细粒。结束语!8 80年居里兄弟发现 了压电效应,从而开创了压电学的历史。但是压电材 料真正获得广泛 的 应 用还是在!9 55年发 现压电陶 瓷之 后。压 电器件最早采用 的材料是石英晶体,接着是BaT IO3、Pb(Z r,T i)03等压电陶瓷以及妮酸锉、担酸锉和 氧化锌等压 电晶体。将来有可能采用其它新型 压电晶体,例如 用块磷铝矿 晶体来制作谐振器等压电器件。另外,压 电半导体,例如砷 化稼,是一种很 有 前途 的 材料,可望采用这种材 料制作集成模拟信号 处理 器件、信号 源和 滤波器。现 在压电 材料不管是在民用上还是在军用上,其 作用都越来越大,并愈加 显得重要。精细陶瓷及其 粉体制作技 术 的发 展,为压电材 料 的 应用开辟r压电与声光199 3年更加广阔的前景。展望压电学这株现代电子科学园地中的奇葩,必将更加光彩夺目。参考文献J任匀1 1,11R Ob ert sS.几尹