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1、压电陶瓷换能器的可行性初步研究一、 背景介绍1.1压电陶瓷相关的基本概念压电陶瓷：一种能能够将机机械能和和电能互互相转换换的功能能陶瓷材材料，属属于无机机非金属属材料。这这是一种种具有压压电效应应的材料料。正压电效应应：某些些材料在在机械应应力作用用下，引引起内部部正负电电荷中心心相对位位移而发发生极化化，导致致材料两两端表面面出现符符号相反反的束缚缚电荷的的现象。称逆压电效效应：施加激激励电场场，介质质将产生生机械变变形的现现象。1.2压电电陶瓷的的发展现现状及其其分类压电陶瓷是是含高智智能的新新型功能能电子材材料，随随着材料料及工艺艺的不断断研究和和改良，压压电陶瓷瓷的技术术越来越越广，而
2、而且随着着电子，信信息，航航空航天天高科学学技术领领域日新新月异的的发展，压压电陶瓷瓷材料的的制作技技术和应应用开发发将会越越来越受受到人们们的关注注和重视视。压电电陶瓷目目前有以以下几种种分类：A：一元系系压电陶陶瓷BaTiOO3是典典型的陶陶瓷铁电电体，机机电耦合合系数大大，制备备容易可可以制成成任意形形状和任任意极化化方向的的产品等等的优点点。PbTiOO3居里里温度高高（Tcc=4990），自自发极化化强度是是各种钙钙钛矿型型晶体结结构的铁铁电体中中最高的的，是一一种具有有热释电电性和压压电性，能能在高温温下使用用的压电电陶瓷。B：二元系系压电陶陶瓷PbZrOO3-PbTiiO3（PP
3、ZT）相相比一元元系具有有高耦合合，高机机械品质质因数和和高稳定定性等特特征，在在使用范范围内没没有明显显相变点点，可作作为滤波波器等通通信材料料，而高高耦合，高高介电常常数方面面的优点点又明显显扩大了了压电陶陶瓷的应应用范围围，不仅仅可以作作为振子子，而且且还可以以作为换换能器材材。C：三元系系及多元元系压电电陶瓷三元系陶瓷瓷比二元元系更具具有优越越的性能能，可以以大幅度度地调节节可供选选择的组组成成份份和压电电性，容容易获得得高机电电耦合数数的接受受型材料料。压电陶瓷的的发展趋趋势：压压电复合合材料，压压电薄膜膜，无铅铅压电陶陶瓷，纳纳米压电电陶瓷等等，出现现高位移移的新型型压电致致动器，
4、压压电变压压器，主主动减振振和降噪噪的压电电器件，医医用微型型压电陶陶瓷传感感器等新新器件。二、 压电陶瓷换换能器2.1压电电陶瓷特特点及其其应用分分类压电陶瓷换换能器的的特点是是：致密密度高、机机械强度度高、加加工容易易、适合合大批量量生产。经经过一些些容易实实现的加加工手段段就可制制成任何何给定的的形状和和几何尺尺寸。它它们的化化学性质质不活泼泼, 不易易受化学学侵蚀, 不受受湿汽和和其他恶恶劣气候候条件的的影响。此此外, 这些陶陶瓷的机机械定向向和电学学定向可可与陶瓷瓷的形状状准确取取向。压电陶瓷换换能器广广泛应用用于数据据处理、信信息处理理、通讯讯、声纳纳、陀螺螺、水声声器、记记步器、
5、激激光器、喷喷墨打印印、超声声清洗、超超声焊接接、报警警、以及及燃气设设备等行行业和技技术领域域。压电电陶瓷的的主要应应用领域域举例如如表1所示。表1压电陶陶瓷的主主要应用用领域举举例应用领域举例一 电源源压电变压器器雷达，电视视显像管管，阴极极射线管管，盖克克技术管管，激光光管和电电子复制制机等高高压电源源和压电电点火装装置二 信号号源标准信号源源振荡器，压压电音叉叉，压电电音片等等用作精精密仪器器中的时时间和频频率标准准信号源源三 信号号转换电声换能器器拾声器，送送话器，受受话器，扬扬声器，蜂蜂鸣器等等声频范范围的电电声器件件四发射与接接收超声换能器器超声切割，焊焊接，清清洗，搅搅拌，乳乳
6、化及超超声显示示等频率率高于220KHHz的超超声器件件，压电电马达，探探测地质质构造，油油井固实实程度，无无损探伤伤和测厚厚，催化化反应，超超声衍射射，疾病病诊断等等各种工工业用的的超声器器件水声换能器器水下导航定定位，通通讯和探探测的声声纳，超超声探测测，鱼群群探测和和传声器器等五 信号号处理滤波器通讯广播中中所用各各种分立立滤波器器和复合合滤波器器，如彩彩电中频频滤波器器；雷达达，自控控和计算算系统所所用带通通滤波器器，脉冲冲滤波器器等放大器声表面信号号放大器器以及振振荡器，混混频器，衰衰减器，隔隔离器等等表面波导声表面波传传输线六传感与计计测加速度计压力计工业和航空空技术上上测定振振动
7、体或或飞行器器工作状状态的加加速度计计，自动动控制开开关，污污染检测测用振动动计以及及流速计计，流量量计和液液面计等等角速度计测量物体角角速度及及控制飞飞行器航航向的压压电陀螺螺红外探测计计监视领空，检检测大气气污染浓浓度，非非接触式式测温以以及热成成像，热热电探测测、跟踪踪器等位移与致动动器激光稳频补补偿元件件，显微微加工设设备及光光角度，光光程长的的控制器器七 存贮调制用于电光和和声光调调制的光光阀，光光闸，光光变频器器和光偏偏转器，声声开关等等存贮光信息存贮贮器，光光记忆器器显示铁电显示器器，声光光显示器器等八 其它非线性元件件压电继电器器2.2压电电陶瓷的的极化机机理及机机电转换换压电
8、陶瓷换换能器用用陶瓷片片的极化化过程是是压电陶陶瓷片的的电畴在在直流电电场作用用下定向向排列的的过程。如如图2所所示。图2 压电电陶瓷片片的极化化效应图二中的为极化化前,为极化化后，aa为陶瓷瓷片的厚厚度(即即极化电电极之间间的尺寸寸)，bb为陶瓷瓷片的电电极。压电陶瓷片片极化后后, 若给给陶瓷片片施加一一个低于于极化电电压的交交流电信信号, 陶瓷片片就会产产生形变变, 如图图(3)所示。如如果外加加的交流流电信号号与极化化电压的的极性相相同, 就会使使陶瓷沿沿着极化化轴(即即x方向向)继续续膨胀，而而在垂直直于极化化轴的方方向（即即y方向向）收缩缩，如图图（3）中中的所示。图 3 压压电陶瓷
9、瓷片极化化后产生生形变图 4 压压电陶瓷瓷的基本本变形图 5 给给陶瓷片片加压力力或张力力产生一一定电压压的交流流部电信信号若在陶瓷片片上施加加的交流流信号呈呈极性相相反时就就会产生生相反的的作用：沿极化化轴（xx方向）出出现收缩缩，垂直直于极化化轴方向向（y方方向）出出现膨胀胀。如图图（3）中中的所示。在在和清况下下, 当在在陶瓷片片电极上上撤除电电信号时时, 陶瓷瓷片就回回复到原原来的极极化尺寸寸如图22中所示示。压电陶瓷片片的膨胀胀和收缩缩作用使使陶瓷片片发生变变形。两两种作用用的组合合产生一一种总体体形变, 形变变性质取取决于陶陶瓷的形形状和组组分、极极化轴的的取向和和电极的的取向。图
10、图(4)表示一一些陶瓷瓷片的一一些形变变模式、厚厚度和表表面切变变、厚度度膨胀和和收缩。一一般有两两种或多多种作用用同时存存在。极化过程完完成之后后, 给陶陶瓷片加加上一个个压力和和张力就就会产生生一个具具有一定定电压的的交流电电信号, 见图图5。如图所所示, 如果所所加的压压力平行行于极化化轴, 或所加加张力垂垂直于极极化轴, 就会会产生一一个极性性与极化化电压相相反的电电压。2.3压电电陶瓷换换能器制制造工艺艺压电陶瓷换换能器的的制造是是经过配配料、烧烧结、机机械加工工、表面面金属化化、用直直流电场场进行极极化处理理而得到到。压电电陶瓷的的物理、化化学和压压电特性性为适合合特殊的的应用可可
11、以通过过设计相相应的压压电陶瓷瓷材料配配方并辅辅以一定定的工艺艺技术而而实现。要得到性能能良好的的压电陶陶瓷，必必须掌握握它的制制作工艺艺。工艺艺条件的的变化，对对压电性性能的影影响很大大。因此此，我们们要认识识压电陶陶瓷的内内在规律律，设计计合理的的制作工工艺，严严格控制制它的操操作过程程。压电陶瓷的的制作过过程主要要包括以以下步骤骤：配料排胶成型粉碎混合预烧机械加工上电极极化测试烧成2.3.11配料2.3.11.1 原料的的选择和和处理原料是制备备压电陶陶瓷的基基础。选选择原料料一般应应注意其化化学组成成和物理理状态。(1)纯度度对纯度的要要求应适适度。高高纯原料料，价格格昂贵，烧烧结温度
12、度高，温温区窄。纯纯度稍低低的原料料，有的的杂质可可起矿化和助助熔的作作用，反反而使烧烧结温度度较低，且且温区较较宽。过过低纯度度原料杂杂质多，不不宜采用用。(2)杂质质含量压电陶瓷材材料中杂杂质允许许量主要要根据以以下三点点因素决决定：1)杂质类类型有害杂质质对材料绝缘缘、介电电性等影影响极大大的杂质质，特别别是异价价离子。如如B、C、P、S、Al等，愈愈少愈好好。有利杂质质与材料A、B位离子子电价相相同、半半径接近近，能形形成置换换固溶的的杂质。如如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子子，一般般在0.200.5%范围内内，坏的的影响不不大，甚甚至有利利。2)材料
13、类类型接收型压压电陶瓷瓷材料已引入了降降低电导导率和老老化率的的高价施施主杂质质，原料料中在00.5%以内的的杂质不不足以显显著影响响施主杂杂质的既既定作用用。发射型压压电陶瓷瓷材料要求低机电电损耗，因因而配料料中的杂杂质总量量，愈少少愈好，一一般希望望在0.05%以下。对对于为了了提高其其它性能能参数的的有意添添加物，另另当别论论。3)原料在在配方中中的比例例在PZT配配方中，比比例大的的原料PPb3O4、ZrOO2、TiOO2分别占占重量比比的600%、20%、10%左左右，若若杂质多多，引入入杂质总总量也多多。因此此，要求求杂质总总含量均均不超过过2%，即即要求纯纯度均在在98%以上。配
14、方中比例例小的其其它原料料，杂质质总含量量可稍高高一些，一一般均在在3%以下下，即要要求纯度度均在997%以以上，特特殊要求求例外。(3)稳定定性与活活泼性稳定性是指指未进行行固相反反应前原原料本身身的稳定定性。如如碱金属属和碱土土金属氧氧化物易易与水作作用，在在空气中中不易保保存，不不稳定。如如Na、Ca、Ba、Sr、Mg的氧氧化物，不不宜采用用。宜采采用与水水不起作作用、稳稳定的、加加热又能能分解出出活泼性性大的新新鲜氧化化物的相相应的碳碳酸盐。如如Na2CO3、CaCCO3、SrCCO3、BaCCO3、MgCCO3等。活泼性是指指在固相相反应中中原料本本身的活活泼性。活泼泼性好的原原料能
15、促促使固相相反应完完全，利利于降低低合成温温度，减减少铅挥挥发。如如Pb3O4原料比比PbOO原料活活泼性好好。因其其在加热热中可分分解脱氧氧成新鲜鲜活泼性性大的PPbO。(4)颗粒粒度原料颗粒度度要求小小于0.2mm，微量量添加物物应更细细。这样样，可增增加混料料接触面面积，利利于互扩扩散反应应，使组组成均匀匀，性能能良好。另另外，还还可减小小陶瓷内内应力，增增加机械械强度等等。在原料的处处理方面面，有以以下常用用方法：(1)细磨磨压电陶瓷采采用的原原料，若若颗粒较较粗时，如如MnOO2、出厂厂未细磨磨的ZrrO2等，必必须细磨磨。可采采取振磨磨、球磨磨、行星星磨等，小小量原料料也可用用研钵研研细。(2)烘干干为了不影响响配料的的准确性性，含水水原料必必须进行行烘干脱脱水处理理。一般般在电热热式干燥燥箱中干干燥。温温度11101120，时间间不少于于4小时，直直至无水水分为止止。(3)化学学分析在大批量生生产压电电陶瓷时时，每批批购进的的原料，因因制造或或分装的的厂商不不同、批批次的不不同，其其质量可可能不同同。因此此，应抽抽样化验
