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压电陶瓷是什么材料制成的,压电陶瓷片的原理及特性是什么

更新时间  2023-09-03 阅读 185

压电陶瓷(压电陶瓷晶片)是一种具有压电效应的多晶体,因生产工艺和陶瓷相近而得名。它是将氧化物(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)混合,经高温烧结和固相反应制成的多晶极化处理而成的具有压电效应的铁电陶瓷的总称。

压电陶瓷具有良好的机械性能和稳定的压电性能,作为一种重要的力、热、电、光敏功能材料,已广泛应用于变幅杆、超声波换能器、微位移器件等电子元件中。

压电陶瓷的发展历史

1880年,居里兄弟首先发现电气石的压电效应,从此开始了压电学的历史。

1881年,居里兄弟实验验证了逆压电效应,给出石英相同的正逆压电常数。

1842年-1949年,发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电常数和铁电性、压电性。后续解决了极化问题。

50年代,美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声波换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用研究。

1954年,美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅(PZT)具有非常强和稳定的压电性,促使压电器件的应用研究又大大的向前推进了一大步。

后来,为了保护地球和人类的生存空间,防止环境的污染,非铅压电陶瓷成为未来研究和应用的方向。

迄今,压电陶瓷的应用,上至宇宙开发,下至家庭生活极其广泛。

压电陶瓷是什么材料制成的,压电陶瓷片的原理及特性是什么

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压电陶瓷的基本概念

自发极化

120℃以下,BaTiO3晶体结构稍有畸变,为四方结构,Ba2+Ti4+相对于O2-产生了一个位移,结果导致正负电荷中心不重合,产生了极化(自发极化),通常把这种转变温度称为居里温度或居里点(Tc)。

人工极化

人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场,并保持一定的温度和时间,迫使其电畴转向,或者说迫使其自发极化做定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理前的变化情况。

铁电陶瓷

某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向,材料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷。

压电陶瓷的原理:压电效应

压电效应是指某些介质在力的作用下,产生形变,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。正压电效应本质是机械作用引起介质极化;逆压电效应的本质是电场作用引起介质极化。

压电陶瓷的制造

压电陶瓷的制作过程主要步骤:配料-预处理-预烧-造粒-成型-烧成-机加工-上电极-极化-老化-测试。

原料

原料是制备压电陶瓷的基础。对于PZT来说它的主要原料为Pb3O4、ZrO2、TiO2.选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。对于原料的纯度要求应适度。高纯度原料价格昂贵烧结温度高,温区窄。纯度稍低的原料里面的杂质可起矿化和助熔的作用,反而使烧结温度降低,温区增宽。但过于低纯度的原料杂质较多,不宜采用。

杂质

杂质分为有害杂质和有利杂质。PZT掺杂改性分为等价取代和异价取代;异价取代中又可分软性取代改性、硬性取代改性和其他取代改性。

等价取代

等价取代是指Ca2+、Sr2+、Mg2+、等半径较Pb2+离子小的二价离子取代Pb2+离子,,结果使PZT陶瓷的介电常数ε增大↑,机电耦合系数KP增大↑,压电常数d增大,从而提高PZT瓷的压电性能。

异价取代

异价取代中的软性取代改性是指在原料中加入一些添加物后能使矫顽场强Ec减小↓,极化容易,因而在电场或应力作用下,材料性质变“软”。(烧成后的瓷体呈黄色)

异价取代中的硬性取代改价是指加入一些添加物后能使矫顽场强Ec增加↑,极化变难,因而在电场或应力作用下,材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体呈黑色)

压电陶瓷的市场

压电陶瓷作为重要功能材料在电子领域占据相当大的比重。2000年全球压电陶瓷销售额约达30亿美元,近年来,压电陶瓷在全球每年销售额按15%速度增长。

为了保护地球防止环境的污染,2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令,其中在被限制使用的物质中就包含含铅的压电器件。目前国内压电陶瓷市场上的产品仍以传统技术和生产方式进行运作,无铅产品还没形成产业化优势,无铅化正是行业内主要努力方向。

压电陶瓷的应用

压电陶瓷的应用十分广泛。例如压电引爆器、超声波探测仪、压电驱动器、压电打火器、压电转换器、压电陶瓷电扇、压电式触屏、超声波倒车雷达、压电陶瓷继电器等等都是运用了压电陶瓷。我司一般用PZT-4、PZT-8的压电陶瓷,因为这两类具有较高的机电转换效率,适于大功率超声发生器超声加工、超声清洗换能元件。