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1、 压电陶瓷的压电原理与制作工艺1. 压电陶瓷的用途随着高新技术的不断开展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。表1压电陶瓷的主要应用领域举例应用领域举例一电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置二信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精细仪器中的时间和频率标准信号源三信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频X围的电声器件四发射与接收超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20KHz的超声器
2、件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反响，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等五信号处理滤波器通讯播送中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等放大器声外表信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等外表波导声外表波传输线六传感与计测加速度计压力计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等角速度计测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺红外探测计监视领空，检测大气污染
3、浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器七存贮调制用于电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关等存贮光信息存贮器，光记忆器显示铁电显示器，声光显示器，组页器等八其它非线性元件压电继电器2. 压电陶瓷的压电原理2.1 压电现象与压电效应在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的
4、效应，称为逆压电效应。2.2 压电陶瓷的内部构造材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部构造决定了的，因而要了解压电陶瓷的压电原理，明白压电效应产生的原因，首先必须知道压电陶瓷的内部构造。2.2.1压电陶瓷是多晶体用现代仪器分析表征压电陶瓷构造，可以得到以下几点认识：。（1） 压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规那么“镶嵌而成，如图1所示。图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片（2） 每个小晶粒微观上是由原子或离子有规那么排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。图2 原子在空间规那么排列而成晶格示意图（3） 每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。图3 PZT陶瓷中电畴构造的电子显微镜照片（4
5、） 整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定一样，排列是混乱而无规那么的，如图4所示。这样的构造，我们称其为多晶体。图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图2.2.2压电陶瓷的晶胞构造与自发极化（1） 晶胞构造目前应用最的广泛的压电陶瓷是钙钛矿CaTiO3型构造，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。该类材料的化学通式为ABO3。式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。其晶胞晶格中的构造单元构造如图5所示。图5 钙钛矿型的晶胞构造490压电陶瓷的晶胞构造随温度的变化是时有所变化的。如下式及图6所示。1205-90PbTiO3PT：四方相立方相BaTiO
6、3BT：三角相正交相四方相立方相图6钛酸钡晶胞构造随温度的转变（2） 自发极化的产生以BT材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。a立方相b四方相图7 BT中自发极化产生示意图由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c轴的电极化。这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。（3） 压电陶瓷的电畴1） 电畴的形成压电陶瓷中自发极化一致的区域称为电畴或铁电畴。下面以的钙钛矿型构造从立方相变到四方相为例，说明电畴的形成。 c轴方向决定自
7、发极化取向压电陶瓷中晶粒内部构造从立方相变成四方相时，任何一个轴都可能成为四方相的c轴。又因自发极化平行于c轴，所以各晶胞的自发极化取向可以彼此不同。但这不是一种能量最低状态。 能量最低原那么决定畴构造为了符合能量最低原那么，四方相晶粒必须形成畴构造，即晶粒中形成一定的小区排列状态-畴构造晶格匹配要求晶胞自发极化取向一致小区的存在能量最低原那么要求自发极化取向不一致小区的搭配如图33所示 相构造决定畴壁类型又因为晶粒为四方相时，自发极化的取向只能与原反响立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中的自发极化方向只能成90角角或180角角，相应的电畴的交界面就分别称为90畴壁和180畴壁，如图8所
8、示。图8 四方相晶体90畴壁和180畴壁示意图2） 电畴在外电场作用下的运动假设在一块多畴晶体上加足够高的直流电场时，自发极化方向与电场方向一致的电畴便不断增大，反之，那么不断减小，最后整个晶体由多畴变为单畴，自发极化方向与电场方向一致。压电陶瓷的极化工序，就是在陶瓷片电极上加一个足够高的直流电场，迫使电畴转向，即使其自发极化作左定向排列，如图9所示。a极化前b极化过程中c极化后图9 压电陶瓷在极化中电畴变化示意图3） 铁电性与电滞回线由上述知，在TTC时，压电陶瓷不但存在自发极化，而且自发极化方向还可因外电场作用而转向。这种特性称为问铁电性体。所以压电陶瓷又称为铁电陶瓷，或称为铁电多晶体。在
9、交变电场作用下，压电陶瓷可观察到电滞回线，如图10所示。图10 压电陶瓷的电滞回线图中，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。2.3 压电效应的再理解极化过的压电陶瓷内的剩余极化强度总是以电偶极矩钜的形式表现出来，即陶瓷一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷，如图11所示。为了屏蔽和抵消剩余极化强度对外界的作用，在束缚电荷作用下，陶瓷电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。图11 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图（1） 正压电效应假设在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力F，如图12所示。瓷片被压缩，极化强度变
10、小，释放局部原来吸附的自由电荷，出现放电现象。当F撤除后，瓷片回复原状，极化强度又变大，又吸附一些自由电荷，出现充电现象。这种由机械力变电的效应，或者说由机械能转变为电能的现象，称为正压电效应。图12 正压电效应示意图实线代表形变前，虚线代表形变后（2） 逆压电效应假设在陶瓷片上施加一个与极化方向一样的电场，如图13所示。极化强度增大，瓷片发生伸长的形变。反之那么发生缩短形变。这种由电点转变为机械运动，或者说由电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。图13 逆压电效应示意图实线代表形变前，虚线代表形变后小结压电陶瓷的压电原理在于：压电陶瓷构造中存在自发极化和铁电畴；通过外界作用施力或电场改变其
11、极化状态含畴状态，实现能量转换而表现出压电效应。3. 压电陶瓷的制作工艺要得到性能良好的压电陶瓷，必须掌握它的制作工艺。工艺条件的变化，对压电性能的影响很大。因此，我们要认识压电陶瓷的内在规律，设计合理的制作工艺，严格控制它的操作过程。压电陶瓷的制作过程主要包括以下步骤：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3.1 配料3.1.1原料的选择和处理原料是制备压电陶瓷的根底。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，有的杂质可起矿钙化和助熔的作用，反而使烧结温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多，不
12、宜采用。(2) 杂质含量压电陶瓷材料中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位离子电价一样、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0.20.5%X围内，坏的影响不大，甚至有利。2) 材料类型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%以内的杂质缺乏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，一般希望在0.05%以下。对
13、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在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%和101%左右，假设杂质多，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。(3) 稳定性与活泼性稳定性是指未进展固相反响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，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
14、氧化物的相应的碳酸盐。如Na2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、MgCO3等。活泼性是指在固相反响中原料本身的活泼性型。活泼性型好的原料能促使固相反响完全，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。(4) 颗粒度原料颗粒度要求小于0.2m，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反响，使组成均匀，性能良好。另外，还可减小陶瓷内应力，增加机械强度等。在原料的处理方面，有以下常用方法：(1) 细磨压电陶瓷采用的原料，假设颗粒较粗时，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
15、，小量原料也可用研钵研细。(2) 烘干为了不影响配料的准确性，含水原料必须进展烘干脱水处理。一般在电热式枯燥箱中枯燥。温度110120，时间不少于4小时，直至无水分为止。(3) 化学分析在大批量生产压电陶瓷时，每批购进的原料，因制造或分装的厂商不同、批次的不同，其质量可能不同。因此，应抽样化验其纯度或杂质，检测其颗粒度，以保证压电陶瓷的性能。3.1.2配方计算与称料(1) 配方计算压电陶瓷材料的配方计算通常有两种方法：1) 由原料的重量比来计算配方的方法 写出配方的化学分子式 写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量(mol质量) 用以下公式计算各原料所需用量 (i=1，2，n) (1)式中xi为原料的mol数，Mi为其mol质量，xiMi为其质量，Pi为其纯度；为配方
