压电陶瓷材料及应用

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1、压电陶瓷材料及应用一、概述1.1 电介 质电介 质材 料的研究与发展成 为一 个工业领域和学科 领域 ，是 在 20 世纪随 着电 气工业的发展 而形 成的。国际上电介质 学科是在 20 世纪 20 年代至 30 年 代形成 的， 具有标志性的 事件 是：电气及电 子工 程师学会 （IEEE ）在 1920 年开始召开国际绝缘介质 会议，以 后又建立 了相应的 分 会（ IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美 国 MIT 建 立了以 Hippel 教授为 首的 绝缘研究室。苏联 列宁格勒工学 院建 立了电气 绝缘与 电缆 技术专

2、业，莫斯科工 学院建立了电介质 与半导体专业 。特别 是德国 德拜 教授在 20 世纪 30 年代由于研究 了电介质的极化和 损耗 特性 与其分 子结 构关系获得了 诺贝 尔奖，奠定 了电 介质物理学科的基 础。随 着电器 和电 子工程的发展 ，形成 了研究电介质极化 、损 耗、电 导、击 穿 为中心内容的电介质物理学科。我国电介质领域的 发展是在 1952 年第 一个 五年计划制定 和实 行以 来 ，电 力 工 业 和 相 应 的 电 工 制 造 业 得 到 迅 速 发 展 ，这 些 校 、院 、所 、首 先在我 国开 展了有关电介 质特 性的研究和人 才的培养，并开 出了“电介 质物理 ”

3、、“电介质化 学”等 关键专业课程 ，西安 交大于上海交大、哈 尔 滨工大 等院 校一道为我国培养 了数千名绝缘电介质专业 人才 ，促进了我 国工程 电介 质的 发展。80 年 代初 中国 电工技术学会又建 立了 工程电介 质专业委员会。近年来，随 着 电子 技术、空 间技 术、激 光技术、计 算 机技 术等新技 术的兴 起以 及基础理论和 测试 技术的发展，人们创造各种 性能 的功能陶 瓷介质。主要有：（ 1）、 电子功能 陶瓷 如高 温高 压绝 缘陶 瓷、高导 热绝 缘陶 瓷、 低热膨 胀陶 瓷、半导体陶 瓷、 超导陶瓷、导 电陶瓷等。（2）、化学功能陶 瓷 如各 种传 感器、化学泵 等。

4、（3）、电光陶 瓷和光 学陶 瓷 如铁电、压电 、热电 陶瓷、透光陶瓷、 光色陶 瓷、 玻璃光纤等。（电 介质物理邓宏 ）功能陶瓷作为信息时代的支柱材料，以其独特的力、热、电、磁、 光以及声学等功能性质，在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有 广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电陶 瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。（材料一） 1.2压电材料的分类具有压电效应的材料称为压电材料。自1880年Jacques Curie和 Pierre Curie发现压电效应以来，压电材料发展十分迅速。利用压电材 料构成的压电器件不仅广泛用于电子学的各个领域，而且已遍及

5、日常生 活。例如，农村中家家户户屋檐下挂的小喇叭-压电陶瓷扬声器；医院 里检查心脏、肝部的超声诊断仪上的探头-压电超声换能器；电子仪器 内的各种压电滤波器；石油、化工用各种压电测压器、压电流量仪等等。 压电材料主要有压电晶体、陶瓷、压电薄膜、压电聚合物及复合压电材 料等（如图1.1所示）。反铁电单晶非铁电热释电单晶WHffi电性单册f铁电单胡 雇电热禅电单晶EE电半导体单品-铁电陶瓷-或化一沐电热祁电陶瓷ll多晶体-反诜电陶瓷冏电场饮电陶瓷佚电半导体附瓷压电薄膜（床电卜悼体薄膜）.铁电薄膜-晶态聚合物+饮电陶瓷1非晶态聚合物+鉄电陶瓷晶态压电聚合物IE晶态圧电聚合物复含物聚合物图1.1压电材料

6、的分类压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、傢酸锂等。压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。这些构成铁电陶瓷的晶粒的结构一般是不具有对称中心的，存在着与其它晶轴不同的极化轴，而且它们的原胞正负电荷重心不重合，即有固有电矩 自发极化（Ps）存在。然而，铁电陶瓷是由许多细小晶粒聚集 在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列 的。而且，各晶粒间自发极化方向杂乱，总的压电效应会互相抵消，因 此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极 化强度可以发生转向，在外电场去除后

7、还能保持着一定值剩余极化（Pr），如图1.2所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度（定义）。 利用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定 的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一 定的净极化强度。这一过程称为人工极化。经过极化处理后，烧结的铁 电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见， 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都 应是铁电陶瓷。相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率 换能器 和宽 带滤波器等应 用，但 对高

8、频、高 稳定应 用不理 想。石 英等压 电单晶 压电 性弱，介电常数很低，受 切割限制存在 尺寸局限，但稳 定性 很高，机 械品质因子 高，多 用来作标准品 率控 制的振子、高 选择性( 多 属高频狭带通)的滤波器以及高频、高温超声换能器等。压 电薄 膜是一种独特的高 分子传感材料，能相对于压力或 拉伸力的 变化输 出电 压信号，因 此是一种理想的动 态应 变片，压电 薄膜 元件通常 由四部分组成：金属电极、加强电压信号压膜、引线和屏蔽层。压 电聚 合物，如偏聚氟乙 烯( PVDF )(薄膜)等，具有 材质 柔韧， 低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点，为世人瞩目且发展十 分迅速 ，现

9、在水 声超 声测量 、压 力传感、引 燃 引爆等 方面 获得应用。不 足之处 是压 电应 变常 数 ( d) 偏低 ， 使 之作为 有源发 射换 能器 受到很大 的限制。复 合压 电材料，是在有 机聚 合物基底材料 中嵌 入片状 、棒状、杆状、 或粉末 状压 电材料构成的 。至今 已在水声、电 声、超 声、医 学 等领域得 到广泛 的应 用。如它制成的水 声换能器，不仅具有高 的静水压 响应速率 ， 而且耐 冲击 ， 不易受损且 可用 于不同的深度 。( 材料一)1.3 发 展 概 况1942-1945 年间发 现钛酸钡( BaTiO 3) 具有 异常 高 的介电 常数 ， 不 久又发 现它具

10、有压电 性， BaTiO 3 压电 陶瓷的发 现是压 电 材料的一 个飞 跃。这以前 只有压电 单晶材料 ，此后出现了压 电多晶 材料 压电 陶瓷， 并获得 广泛 应用。1947 年美国用 BaTiO 3陶瓷制造留声机 用拾音器，日 本 比 美 国 晚 用 两 年 。 BaTiO 3 存 在 压 电 性 比 罗 息 盐 弱 和 压 电 性 随 温 度 变 化比石英晶体大的缺点。1954年美国B 贾菲等人发现了压电PbZrO 3-PbTiO 3 ( PZT )固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO 3 时 代不 能制 作的 器件成为 可能。此后 又研制出 PLZT 透明压 电 陶瓷，使

11、压 电陶 瓷的 应用扩展 到光 学领 域。六十 年代 初， Smolensky 等 人对复合钙 钛矿型化 合物进行 了 系 统的 研究， 提出 可以用不同原 子价 的元 素组合取代 钙钛矿结构中 的 A- 位和 B- 位 离 子 ， 大 大 增 加 了 钙 钛 矿 型 化 合 物 的 种 类 。 如Pb(Mg 1/3Nb2/3)O3(PMN) 、Pb(Ni 1/3 Nb 2/3 )O 3(PNN) 、Pb(Sb1/3Nb2/3)O3(PSN) 等，这些新的二元系压电陶瓷不仅各有特色，而且陶瓷的烧结温度低， 工艺重 复性 好， 对压电材料的 发展 起了积极作用。 1965 年， 日本松下 电气公

12、司的H.Ouchi发表了把Pb(Mg i/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT 陶瓷中 制成 的 三 元系压电 陶瓷( 简称 PCM )，发 现它具有良好 的压 电性 能。 1969 年，我 国压 电与 声光 技术研究所研 制成 功把 Pb(Mn 1/3 Sb2/3)O3 作 为第 三组 分加 到 PZT 中 的三 元系压电 陶瓷 ，性能比 PZT 和 PCM 优越 。 经过 10 多年 的 深入 研究 和广泛应用， 这种 材料成为 我国 自成 体系的 、 具有独特性能的、工艺稳定的三元系压电陶瓷，起名PMS。PMS压电 陶 瓷和 用它 作换能 器的压 电晶 体速率陀螺均 先后获国家 科委

13、 发明奖。80 年代 ，为 了 既能 满足 人类日益增长 的物 质文化生活需要，又能 减 少对环 境的 污染， 保护人 类赖 以生存的 生态 环境， 简化 材料 制备工 艺 ， 开始了 非铅 基铁电 压 电陶 瓷的 研究工 作 。非 铅基铁电 压电 陶瓷 主要是以 铌酸盐 和钛 酸盐为 主的 化合物 。虽然这 类材 料的 目前压电 性能 还不如锆 钛酸铅 系，但是 非铅 基铁电 压 电 陶 瓷的 研究 开发 已成为压 电陶 瓷材料领 域的研究前沿之一。二、 压 电 陶 瓷的 压电 机理 与性 能参 数压 电陶 瓷是一种多晶体，它的 压 电性 可由 晶体的 压 电 性 来解 释，晶 体在机 械力

14、 作用下，总 的 电 偶极 矩( 极化 )发 生 变化，从 而呈 现压 电 现 象、 因 此压 电性 与极化， 形变 等有 密切关系 。2.1 极化 的 微 观机 理在电 场的 作 用下，电 介质内 部沿 电场方 向感 应出偶极矩，即 在电 介 质表面 出现 束缚电 荷的物 理现 象。极化状态 是电 场对电 介质的 荷电 质点 产生相 对位 移的 作用力与 电荷 间互相吸引力 的 暂时 平衡统一的状 态。极 化机理主要有三种。(1) 电 子位移 极化 在外电 场作 用下， 构成 原子外围的 电 子云 相对于 原子 核发 生位移， 这种 极化 称为 电 子位移极化(电 子极化 )， 其 极化率

15、称为 电子位移极化 率 e。电子位移极化结论是：对于同族元素：e由上到下增大，因：外层 电子数增加，原子半径R增大；对于同周期元素：不定，因为外层电 子数虽然增加，但轨道半径可能减小；离子的电子位移极化率的变化规 律与原子大致相同；离子半径大，极化率大；实测电子位移极化率与理 论结果仍有差别，但研究发现， e/4 oR3值大，对极化贡献大；电 子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关；极化率为快极化：10-15 -0-16s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：(2) 离子位移极化离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的 极化，称为离子(位移)极化(Ionic polari

16、zation)。极化率用j表示。离子位移极化结论是：离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相103402同的数量级，均在40 ( 10)10 法米 数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位 移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或1213消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10- 10-秒。(3) 取向极化一一当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生 转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体 来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化 现象称为偶极子转向极化，用d表示。3 KT0是极性分子固有偶极矩 10 30库米根据电介质分子参与极化运动的种类，