壓電材料與應(yīng)用

1、壓電與鐵電材料壓電與鐵電材料鐵電與壓電材料近些年來(lái)發(fā)展極為迅速，鐵電與壓電材料近些年來(lái)發(fā)展極為迅速，已廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)、激光技術(shù)、紅已廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)、激光技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)、超聲（和微波聲學(xué)）技術(shù)，外探測(cè)技術(shù)、超聲（和微波聲學(xué)）技術(shù)，固態(tài)記憶和顯示技術(shù)以及其他工程技術(shù)固態(tài)記憶和顯示技術(shù)以及其他工程技術(shù)方面，而研制和生產(chǎn)性能優(yōu)良的鐵電與方面，而研制和生產(chǎn)性能優(yōu)良的鐵電與壓電材料，又是發(fā)展各種鐵電和壓電器壓電材料，又是發(fā)展各種鐵電和壓電器件的前提，因此，目前國(guó)際上對(duì)鐵電和件的前提，因此，目前國(guó)際上對(duì)鐵電和壓電材料的研制和探索十分活躍壓電材料的研制和探索十分活躍一、壓電材料及其應(yīng)用一、壓電材料

2、及其應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 壓電材料概述1.2 壓電性 1.2.1晶體的壓電性 1.2.2壓電方程1.3 壓電參數(shù)1.4 壓電陶瓷 1.4.1壓電材料類(lèi)別 1.4.2壓電陶瓷制備流程 1.4.3壓電材料性能影響因素 1.4.4壓電陶瓷材料1.5壓電材料的應(yīng)用v壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的歷史v2006年是居里兄弟皮爾(PCurie)與杰克斯(JCurie)發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)(piezoelectriceffect)的一百周年。一百多年前在杰克斯的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了壓電性。起先，皮爾致力于焦電現(xiàn)象(pyroelectriceffect)與晶體對(duì)稱(chēng)性關(guān)系的研究，后來(lái)兄弟倆卻發(fā)現(xiàn)，在某一類(lèi)晶體中施以壓力會(huì)有電性產(chǎn)生。他們

3、有系統(tǒng)的研究了施壓方向與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，及預(yù)測(cè)某類(lèi)晶體具有壓電效應(yīng)。 v壓電現(xiàn)象理論最早是李普曼(Lippmann)在研究熱力學(xué)原理時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，后來(lái)在同一年，居里兄弟做實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)理論，且建立了壓電性與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。1894年，?？颂?W.Voigt)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囟ǔ鼍w結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)32種晶類(lèi)具有壓電效應(yīng)。1.1壓電材料概述壓電材料概述第一階段：從發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)開(kāi)始至第一次世界大戰(zhàn)，并未引起人們的足夠重視，壓電材料實(shí)際上尚未進(jìn)入實(shí)用階段第二階段：第一次世界大戰(zhàn)第二次世界大戰(zhàn) 受到戰(zhàn)爭(zhēng)的刺激，人們開(kāi)始真正重視壓電材料的研究。1916年朗之萬(wàn)用壓電石英晶體做成換能器，19421943

4、年期間，美國(guó)、蘇聯(lián)和日本幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)BaTiO3,這是在此期間的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)第三階段：第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束二十世紀(jì)六十年代，是壓電材料以及壓電理論發(fā)展的最有成效的時(shí)期，1947年首次發(fā)表關(guān)于經(jīng)極化的BaTiO3陶瓷壓電性及其應(yīng)用，具有劃時(shí)代的意義壓電材料的研究進(jìn)程壓電材料的研究進(jìn)程以后的研究大體上沿著以下的思路，不斷改善與完備BaTiO3的各種需要的性能1）研制BaTiO3與另一種ABO3型材料形成固溶體2）在大量研究具有ABO3型材料的基礎(chǔ)上，設(shè)想用兩種離子組成來(lái)取代其中B離子的位置，并將這樣得到的化合物與已知的PZT形成三元系固溶體3）研制四元系壓電陶瓷以及非鉛陶瓷、壓電半導(dǎo)體陶瓷，鐵電釋熱

5、陶瓷等，進(jìn)一步促進(jìn)壓電陶瓷的廣泛應(yīng)用。目前，生物壓電學(xué)已經(jīng)興起且已經(jīng)在實(shí)用醫(yī)學(xué)和純科學(xué)方面取得了不少進(jìn)展，對(duì)生物（包括人體組織）壓電性的研究，甚至對(duì)控制生物生長(zhǎng)揭示生理功能秘密都具有重大科學(xué)意義1.2.1晶體的壓電性v在電場(chǎng)的作用下，可以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對(duì)位移而發(fā)生極化。但是，在某些電介質(zhì)晶體中，也可以通過(guò)純粹的機(jī)械作用而發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成比例。這種由于機(jī)械力作用而激起晶體表面電荷的效應(yīng)，稱(chēng)為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)就叫壓電性。 力力形變形變電壓電壓 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)v相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形

6、，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。 電壓電壓形變形變 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)1.2壓電性壓電性壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理示意圖壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理示意圖v由此可知，壓電效應(yīng)是由于晶體在機(jī)械力的作用下發(fā)生形變而引起帶電粒子的相對(duì)位移，從而使得晶體的總電矩發(fā)生改變而造成的，晶體是否具有壓電性，是由晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性這個(gè)內(nèi)應(yīng)所制約的，具有對(duì)稱(chēng)中心的晶體永遠(yuǎn)不可能具有壓電性，因?yàn)樵谶@樣的晶體中，正負(fù)電荷的中心對(duì)稱(chēng)式排列不會(huì)因?yàn)樾巫兌馐芷茐摹在32種點(diǎn)群中，只有20種點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電性。這20種點(diǎn)群都不具有對(duì)稱(chēng)心（即所謂異極對(duì)稱(chēng)型）v但是并不是說(shuō)凡屬這20種點(diǎn)群的

7、所有晶體都必定能夠有壓電性。因?yàn)閴弘娋w首先必須是不導(dǎo)電的（至少也應(yīng)是半導(dǎo)體性的），同時(shí)其結(jié)構(gòu)還必須要有分別帶正電荷和負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)離子或離子團(tuán)存在。v也就是說(shuō)，壓電晶體還必須是離子性晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體。1.2.2壓電方程v對(duì)于壓電材料的性能，我們有以下四個(gè)方面的考慮：1、壓電材料是彈性體，它在力學(xué)效應(yīng)上服從胡克定律，即應(yīng)力和應(yīng)變e之間服從彈性關(guān)系：=ce 或 e=s式中c為彈性模量，又稱(chēng)彈性剛度常數(shù)或彈性勁度常數(shù)，表示物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的力；s為彈性順從系數(shù)，又稱(chēng)彈性柔順常數(shù)，表示材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系并且s=1/cvs和c是聯(lián)系兩個(gè)二階對(duì)稱(chēng)張量（應(yīng)力應(yīng)變）的四階張量上述關(guān)系式

8、的物理意義是：在彈性限度內(nèi)，彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變成正比。v 2、壓電材料在電學(xué)效應(yīng)中，其電學(xué)參數(shù)-電場(chǎng)強(qiáng)度E和電位移強(qiáng)度D之間服從介電關(guān)系式：E=D 或 D=E，式中為電容率，又稱(chēng)介電常數(shù)（單位：法/米），它反映材料的介電性質(zhì)，對(duì)壓電體則反映其極化性質(zhì)，介電常數(shù)常用相對(duì)介電常數(shù)r表示v為介電誘導(dǎo)系數(shù)，又稱(chēng)介電隔離率，它表示電介質(zhì)的電場(chǎng)隨電位移矢量變化的快慢，并且=1/，不過(guò)這個(gè)系數(shù)一般較少使用。v與是聯(lián)系兩個(gè)矢量（電場(chǎng)電位移）的三階張量v上述介電關(guān)系式的物理意義就是：當(dāng)一個(gè)電介質(zhì)處于電場(chǎng)E中時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)可以用電位移D表示v3、壓電材料在磁學(xué)效應(yīng)中有：B=H，式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)

9、度，為磁導(dǎo)率v4、壓電材料在熱學(xué)效應(yīng)中有：Q=TS/C，式中Q為熱量；T為溫度；S為熵；為介質(zhì)密度；C為材料比熱v對(duì)于壓電體，我們通常不考慮磁學(xué)效應(yīng)并且認(rèn)為在壓電效應(yīng)過(guò)程中無(wú)熱交換（當(dāng)然這并不確實(shí)，而僅僅是在簡(jiǎn)化分析時(shí)略去這兩方面）。因此，一般只考慮前面所述的力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)，而且還必須同時(shí)考慮它們之間存在的相互作用。把兩個(gè)力學(xué)量-應(yīng)力和應(yīng)變e與兩個(gè)電學(xué)量-電場(chǎng)強(qiáng)度E和電位移強(qiáng)度D聯(lián)系在一起，描述它們之間相互作用的表達(dá)式就是所謂的壓電方程。v處在工作狀態(tài)下的壓電體，其力學(xué)邊界條件可以有機(jī)械自由與機(jī)械夾緊兩種情況，而電學(xué)邊界條件則有電學(xué)短路和電學(xué)開(kāi)路兩種情況，根據(jù)不同的邊界條件，選擇不同的自變

10、量與因變量，就可以得到不同類(lèi)型的壓電方程。v假定在電輸出短路，即電場(chǎng)強(qiáng)度E=0的條件下對(duì)壓電體施加應(yīng)力，有：D=dE=0，式中d稱(chēng)為壓電常數(shù)v同樣，壓電體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變e時(shí)，有：D=ie，式中i稱(chēng)為壓電應(yīng)力電場(chǎng)常數(shù)v假定在電開(kāi)路狀態(tài)，即輸出電流I=0的條件下對(duì)壓電體施加應(yīng)力，則有：E=-gI=0，式中g(shù)稱(chēng)為壓電應(yīng)變電感應(yīng)常數(shù)v或者，壓電體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變e時(shí)，有：E=-he，式中h稱(chēng)為壓電應(yīng)力電感應(yīng)常數(shù)v上述四個(gè)方程式實(shí)際上都是反映正壓電效應(yīng)的情況v壓電常數(shù)d,i,g,h是聯(lián)系二階對(duì)稱(chēng)張量（應(yīng)力應(yīng)變）與矢量（電場(chǎng)電位移）的三階張量v假定壓電體不承受外力，應(yīng)力為零，即是=0，壓電體可以

11、自由形變，在此條件下施加電場(chǎng)，則：v應(yīng)變e與電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：e=dE=0，式中d為壓電應(yīng)變常數(shù)v應(yīng)變e與電位移強(qiáng)度D的關(guān)系為：e=gD，式中g(shù)為壓電電壓常數(shù)v如果把壓電體夾緊，使其不得形變，應(yīng)變?yōu)榱?，即是e=0，在此條件下施加電場(chǎng)，則：v應(yīng)力與電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：=-iEe=0，式中i為壓電應(yīng)力常數(shù)v應(yīng)力與電位移強(qiáng)度D的關(guān)系為：=-hD，式中h為壓電應(yīng)變常數(shù)v上述四個(gè)方程反映了逆壓電效應(yīng)的情況。v在實(shí)際應(yīng)用中，總是力學(xué)量與電學(xué)量同時(shí)存在的，因此我們可以得到以下四組壓電方程：注意通過(guò)壓電方程了解各參量之間的關(guān)系，主要應(yīng)當(dāng)了解其物理意義：v（1）d型壓電方程e=sE+dE D=d+E 式中d為

12、壓電應(yīng)變常數(shù)；sE=1/cE為電場(chǎng)強(qiáng)度E恒定時(shí)的彈性順從系數(shù)（上標(biāo)表示該參數(shù)恒定，以下均同）；為應(yīng)力恒定時(shí)的介電常數(shù)。ve=sE+dE的物理意義是：壓電材料的應(yīng)變是由它所承受的應(yīng)力和電場(chǎng)兩部分影響疊加而組成的 v 第一項(xiàng)表示電場(chǎng)強(qiáng)度E為0或常數(shù)時(shí)應(yīng)力對(duì)總體應(yīng)變e的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)表示電場(chǎng)E對(duì)總體應(yīng)變e的貢獻(xiàn)vD=d+E ：同樣電位移Di也是由它所承受的應(yīng)力和電場(chǎng)兩部分影響疊加而組成v第一項(xiàng)表示應(yīng)力對(duì)電位移D的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)表示應(yīng)力為0或?yàn)槌?shù)時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度E對(duì)電位移D的貢獻(xiàn)（2）g型壓電方程：e=sD+gD E=-g+D 式中g(shù)為壓電電壓常數(shù)；sD=1/cD為電位移強(qiáng)度D恒定時(shí)的彈性順從系數(shù)；=1/為應(yīng)

13、力恒定時(shí)的介電誘導(dǎo)率。（3）i型壓電方程：=cEe-iE D=ie+eE 式中i為壓電應(yīng)力常數(shù)；cE為電場(chǎng)強(qiáng)度E恒定時(shí)的彈性模量；e為應(yīng)變e恒定時(shí)的介電常數(shù)。（4）h型壓電方程：=cDe-hD E=-he+eD 式中h為壓電應(yīng)變常數(shù)；cD為電位移強(qiáng)度D恒定時(shí)的彈性模量；e=1/e為應(yīng)變e恒定時(shí)的介電誘導(dǎo)率。上面的四組壓電方程可得到如下解：（1）d=（e/E）=（D/）E （米/伏 或 庫(kù)侖/牛頓）（這表示應(yīng)力不變時(shí)由電場(chǎng)引起的相對(duì)應(yīng)變或電場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)由應(yīng)力引起的相對(duì)電位移。（2）g=（-E/）D=（e/D） （伏米/牛頓 或 米2/庫(kù)侖）這表示電位移強(qiáng)度不變時(shí)由應(yīng)力引起的電場(chǎng)強(qiáng)度變化（相對(duì)開(kāi)路

14、電壓），或應(yīng)力不變時(shí)由電位移強(qiáng)度引起的相對(duì)應(yīng)變。（3）i=（-/E）e=（D/e）E （牛頓/伏米 或 庫(kù)侖/米2）這表示應(yīng)變恒定時(shí)由電場(chǎng)引起的相對(duì)應(yīng)力，或者電場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)由應(yīng)變引起的相對(duì)電位移。（4）h=（-E/e）D=（-/D）e （牛頓/庫(kù)侖 或 伏/米）這表示電位移強(qiáng)度不變時(shí)由應(yīng)變引起的電場(chǎng)強(qiáng)度變化（相對(duì)開(kāi)路電壓），或應(yīng)變恒定時(shí)由電位移強(qiáng)度引起的相對(duì)應(yīng)力。1 1、介電損耗、介電損耗 電介質(zhì)晶體突然受到電場(chǎng)作用時(shí)，極化強(qiáng)度并不是一下子就達(dá)到最終值，因?yàn)楸M管分子（電疇）的取向會(huì)試圖跟隨電場(chǎng)方向，當(dāng)它們這樣做時(shí)，它們將受到材料的粘滯性所阻，要從電場(chǎng)中吸收能量，表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)一段弛豫時(shí)間，即極化是

15、一種弛豫現(xiàn)象（極化弛豫）。如果介質(zhì)受交變電場(chǎng)作用，而交變頻率又比較高，就會(huì)使極化追隨不及時(shí)而發(fā)生滯后，從而引起了所謂的介質(zhì)損耗，并使動(dòng)態(tài)介電常數(shù)與靜態(tài)介電常數(shù)發(fā)生差異。供給電介質(zhì)的能量有一部分消耗在強(qiáng)迫固有電矩的轉(zhuǎn)動(dòng)上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌牡?，引起介質(zhì)損耗的另一原因則是介質(zhì)漏電，尤其在高溫和強(qiáng)電場(chǎng)作用下其表現(xiàn)更為顯著，由于漏電，電能被轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉（電導(dǎo)損耗）。1.3 壓電參數(shù)壓電參數(shù)v我們可以用一個(gè)并聯(lián)的損耗電阻Rn代表電能在介質(zhì)中的消耗，則通過(guò)介質(zhì)的電流可分成消耗能量的部分IR和通過(guò)介質(zhì)純電容不消耗能量的部分IC。我們以介質(zhì)損耗角正切來(lái)表示：tg=IR/IC=1/C0Rn式中為交變電場(chǎng)的

16、圓頻率；C0為上了電極的介質(zhì)樣品的靜電容值；即是電流對(duì)電壓的滯后角介質(zhì)損耗角正切又稱(chēng)為介質(zhì)損耗、介質(zhì)損耗因子，它與電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度及頻率均有關(guān)。3 3、電學(xué)品質(zhì)因數(shù)、電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q Qm m介質(zhì)損耗角正切的倒數(shù)即為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)：介質(zhì)損耗角正切的倒數(shù)即為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)：Qe=1/tg=CQe=1/tg=C0 0R Rn n 在諧振時(shí)有：在諧振時(shí)有：Qe=Qe=（/4K/4K2 2）（）（Z Zl l/Z/ZC C）式中式中K K為機(jī)電耦合系數(shù)；為機(jī)電耦合系數(shù)；ZlZl為負(fù)載聲阻抗；為負(fù)載聲阻抗；ZCZC為壓電體的聲阻抗為壓電體的聲阻抗電學(xué)品質(zhì)因數(shù)電學(xué)品質(zhì)因數(shù)QeQe的定義為：的定義為：Qe=Qe=諧

17、振時(shí)壓電振子儲(chǔ)存的電能諧振時(shí)壓電振子儲(chǔ)存的電能/ /諧振時(shí)每周期諧振時(shí)每周期內(nèi)損耗的電能內(nèi)損耗的電能它反映了壓電體在交變電場(chǎng)作用下消耗電能（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽┑拇笮　Ｋ从沉藟弘婓w在交變電場(chǎng)作用下消耗電能（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽┑拇笮?。QeQe越越大，意味著電能損耗越小。大，意味著電能損耗越小。QeQe的存在表明任何壓電材料都不可能把電能完的存在表明任何壓電材料都不可能把電能完全轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，其能量損耗的原因即是上述的介質(zhì)損耗。全轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，其能量損耗的原因即是上述的介質(zhì)損耗。壓電材料壓電材料性能指標(biāo)性能指標(biāo)4 4、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m 壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品

18、質(zhì)因數(shù)壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m是反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。是反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。Q Qm m越大，能量消耗越小。越大，能量消耗越小。QmQm的存在也表的存在也表明任何壓電材料都不可能把輸入的機(jī)械能全部用于輸出。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)明任何壓電材料都不可能把輸入的機(jī)械能全部用于輸出。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m的定義式是：的定義式是：耗的機(jī)械能每一諧振周期振子所消能諧振時(shí)振子儲(chǔ)存的機(jī)械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時(shí)的最小

19、阻抗為諧振頻率時(shí)的最小阻抗Zmin（諧振電阻）（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容壓電材料壓電材料性能指標(biāo)性能指標(biāo)5 5、壓電常數(shù)、壓電常數(shù)d d3333 壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。當(dāng)沿壓電陶瓷的極化方向（z軸）施加壓應(yīng)力T3時(shí)，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式：3333TdD 式中d33為壓電常數(shù)，足標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向；T3為應(yīng)力；D3為電位移,它是壓電介質(zhì)把機(jī)械能（或電能）轉(zhuǎn)換為電能（或機(jī)械能）的比例常數(shù)，反映了應(yīng)力（T

20、）、應(yīng)變（S）、電場(chǎng)（E）或電位移（D）之間的聯(lián)系，直接反映了材料機(jī)電性能的耦合關(guān)系和壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱。6 6、機(jī)電耦合系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)K K 機(jī)電耦合系數(shù)K是一個(gè)綜合反映壓電陶瓷的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的反映，其值總是小于1。機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總電能得的機(jī)械能通過(guò)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總機(jī)械能得的電能通過(guò)正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K或或 壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù),。如對(duì)薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）；薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)

21、度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31（橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33（縱向耦合系數(shù)）等。還有Kt、K15KpK33KtK15K317 7、頻率常數(shù)、頻率常數(shù)N N 對(duì)某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度對(duì)某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度的乘積為一個(gè)常數(shù)，即的乘積為一個(gè)常數(shù)，即頻率常數(shù)頻率常數(shù)。N=frl其中：其中：f fr r為壓電振子的諧振頻率；為壓電振子的諧振頻率；l l為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。薄圓片徑向振動(dòng)薄圓片徑向振動(dòng)Np=frD薄板厚度伸縮振動(dòng)薄板厚度伸縮振動(dòng)Nt=frt細(xì)長(zhǎng)棒細(xì)長(zhǎng)棒K33振動(dòng)振動(dòng)N33=frl薄板切變薄板切變

22、K15振動(dòng)振動(dòng)N15=frltD為圓片的直徑為圓片的直徑t為薄板的厚度為薄板的厚度l為棒的長(zhǎng)度為棒的長(zhǎng)度lt為薄板的厚度為薄板的厚度壓電材料壓電材料性能指標(biāo)性能指標(biāo)1.4 壓電陶瓷壓電陶瓷1.4.1壓電材料類(lèi)別1.1.壓電單晶壓電單晶 這是天然形成或人工制成的、具有各向異性的單晶鐵電體材料，它具有的壓電效應(yīng)是基于組成晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣上正負(fù)離子相對(duì)位置變化而引起的。常用的壓電單晶有： 石英（SiO2）：這是天然形成或人工培育（人造水晶）的晶體，均勻性好，居里點(diǎn)高；阻抗高，機(jī)械Q值（Qm）大；硬度高、耐磨性好；不會(huì)潮解；性能極穩(wěn)定，老化極慢極小，而且其性能隨溫度的變化極小，可獲得不隨時(shí)間而變的線性頻

23、率溫度系數(shù)；損耗小，可用于極高的頻率；絕緣性能好，能在高電壓下使用；能用于較高和極低的溫度環(huán)境等。由于石英具備了許多優(yōu)越的性能，故至今仍被廣泛應(yīng)用，特別是用作標(biāo)準(zhǔn)換能器以及例如電腦設(shè)備中的時(shí)間振蕩器等。它的缺點(diǎn)是機(jī)電變換效率低，使系統(tǒng)回路的增益較低。 鈮酸鋰（LiNbO3）、碘酸鋰（-LiIO3）、硫酸鋰（Li2SO4）等。這里結(jié)合前面講的一些內(nèi)容介紹一下鈮酸鋰 ： 鈮酸鋰是一種無(wú)色或者略帶黃色的透明晶體，它有良好的壓電性，機(jī)電耦合系數(shù)高，機(jī)械Q值高，是優(yōu)良的傳聲介質(zhì)和高頻換能器材料。制備方法：鈮酸鋰單晶是用提拉法從熔體中生長(zhǎng)的。將高純LiCO3和Nb205粉料按一定比例混合，壓制成片，在12

24、00下燒結(jié)，使其反應(yīng)產(chǎn)生LiNbO3,燒結(jié)后，塊料體積大大縮小，便于裝料。也可熔成多晶料，然后將多晶料裝入坩堝中，升溫至原料融化，最后得到單晶棒，單晶棒出爐后，經(jīng)過(guò)退火、極化、質(zhì)量檢測(cè)，就可加工使用。2.2.壓電陶瓷材料壓電陶瓷材料 這是通過(guò)粉末燒結(jié)方法人工焙燒制成的多晶鐵電體材料，它具有的壓電效應(yīng)是基于電致伸縮效應(yīng)，其壓電性能隨燒結(jié)工藝和配方成分的不同而存在差異，因此其種類(lèi)繁多且性能也互有出入。 壓電陶瓷易于制成各種形狀，可以多種振動(dòng)模式振動(dòng)以適應(yīng)于各種用途，具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，較高的回路增益和靈敏度，這是它的重要優(yōu)越性。 常用壓電陶瓷材料有： 鋯鈦酸鉛Pb（ZrxTi1-x）O3：（x

25、1），代號(hào)PZT，有多種配方并各有特點(diǎn)，是目前最常用的壓電陶瓷。 壓電陶瓷的品種還有鈦酸鉛（PbTiO3）、鈮酸鉛（PbNbO3）、偏鈮酸鉛（PbNb2O6）、偏鈮酸鉛鋇（Pb0.6Ba0.4）Nb2O6、鈮酸鉀鈉（Na0.5K0.5）NbO3等等。 還有三元與四元系壓電陶瓷v相比較而言，壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對(duì)高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，但穩(wěn)定性很高，機(jī)械品質(zhì)因子高，多用來(lái)作濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。3.3.壓電聚合物壓電聚合物 這是具有

26、壓電效應(yīng)的新型人工合成的半結(jié)晶性聚合物，稱(chēng)為極性高分子聚合物，其壓電效應(yīng)是基于有極分子的轉(zhuǎn)動(dòng)，目前以聚偏氟乙烯（PVDF）性能最好。 PVDF（-CH2-CF2-）是最有極性的高分子聚合物之一。在低于100溫度下將PVDF薄膜拉伸到原來(lái)的幾倍長(zhǎng)，即得到型（PVDF的一種結(jié)晶形式）薄膜，施以電極（通常為鋁），在高直流電場(chǎng)中極化（溫度在80150），將獲得壓電性能，它可以有效地用作聲接收器，有良好的熱穩(wěn)定性，此外，材料可彎曲，聲阻抗小，與水匹配較好，特別適用于水聽(tīng)器以及醫(yī)學(xué)超聲診斷聲場(chǎng)測(cè)試用的換能器。壓電薄膜材料的缺點(diǎn)是信噪比尚不理想，機(jī)電耦合系數(shù)還不夠大，而且機(jī)械和介電損耗比較大。此外，由于品質(zhì)

27、因素（Qm、Qe）較小，故不適用于需要尖銳共振之處，也不適用于大輸入和連續(xù)工作，因?yàn)樗?0以上溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，其壓電效果減小。 聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2PZT)。 4.4.壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料 復(fù)合壓電材料是將強(qiáng)介電性陶瓷微粒分散混合于高分子材料中而構(gòu)成的，其處理和使用與高分子壓電材料一樣，其壓電性能不僅依賴(lài)于陶瓷粒子，也和作為

28、基體的高分子材料的種類(lèi)有很大關(guān)系，特別是和PVDF及氟化亞乙烯基等介電率高的高分子的復(fù)合系，可用作強(qiáng)壓電性材料。這種壓電材料無(wú)需像其他高分子壓電體那樣作延伸處理，內(nèi)部各向同性，隨基體高分子種類(lèi)的變化，可獲得較大的彈性率變化范圍，特別是可以熱壓成型，實(shí)用上很方便。如PVDF和PZT系的復(fù)合材料，其壓電性能和介電性能很穩(wěn)定，這類(lèi)材料已達(dá)實(shí)用階段，在應(yīng)用方面與壓電高分子聚合物材料很相似。 氧化鋅（ZnO）、硫化鎘（CdS）、氮化鋁（AlN）等1.4.2壓電陶瓷制備流程：壓電陶瓷制備流程：配料混料合成細(xì)磨加粘結(jié)劑成型排塑燒結(jié) 清洗氧化上電極極化性能測(cè)試存放加工壓電壓電陶瓷制備陶瓷制備一、配料：進(jìn)行料前

29、處理，除雜去潮，然后按配方比例稱(chēng)量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。二、混合磨細(xì):目的是將各種原料混勻磨細(xì),為預(yù)燒進(jìn)行完全的固相反應(yīng)準(zhǔn)備條件.一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。 三、預(yù) 燒：目的是在高溫下,各原料進(jìn)行固相反應(yīng),合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會(huì)直接影響燒結(jié)條件及最終產(chǎn)品的性能。 四、二次細(xì)磨:目的是將預(yù)燒過(guò)的壓電陶瓷粉末再細(xì)振混勻磨細(xì),為成瓷均勻性能一致打好基礎(chǔ)。 五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流動(dòng)性好的顆粒。方法可以手工進(jìn)行但效率較低，目前高效的方法是采用噴霧造粒。此過(guò)程要加入粘合劑。 六、成型：目的是將

30、制好粒的料壓結(jié)成所要求的預(yù)制尺寸的毛坯。 七、排塑：目的是將制粒時(shí)加入的粘合劑從毛坯中除掉。 八、燒結(jié)成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結(jié)成瓷。此環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。 九、外形加工:將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。 十、被電極：在要求的陶瓷表面設(shè)置上導(dǎo)電電極。一般方法有銀層燒滲、化學(xué)沉積和真空鍍膜。 十一、高壓極化：使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。十二、老化測(cè)試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)，看是否達(dá)到了預(yù)期的性能要求。壓電陶瓷的極化機(jī)理壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶電介質(zhì)。理后的人工多晶電介質(zhì)。所謂所謂“多晶多晶”，它是由無(wú)，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成。數(shù)細(xì)微

31、的單晶組成。 每個(gè)單晶形成一單個(gè)電每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，致使原始的規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。而不具有壓電性。 要使之具有壓電性，必要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使流電場(chǎng)，迫使“電疇電疇”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列排列 。極化電場(chǎng)去除后，趨向極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本保持不變，形電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性而呈現(xiàn)出壓電性 。 極化工藝極化工藝是指在壓電陶瓷

32、上加一個(gè)強(qiáng)直流電場(chǎng)，使是指在壓電陶瓷上加一個(gè)強(qiáng)直流電場(chǎng)，使陶瓷中的電疇沿電場(chǎng)方向取向排列。只有經(jīng)過(guò)極化工藝陶瓷中的電疇沿電場(chǎng)方向取向排列。只有經(jīng)過(guò)極化工藝處理的陶瓷，才能夠顯示壓電效應(yīng)。處理的陶瓷，才能夠顯示壓電效應(yīng)。1 1 極化電場(chǎng)極化電場(chǎng) 極化電場(chǎng)是極化工藝中最主要的因素，極化電場(chǎng)越極化電場(chǎng)是極化工藝中最主要的因素，極化電場(chǎng)越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化越充分，一般高，促使電疇取向排列的作用越大，極化越充分，一般以以KpKp達(dá)到最大值的電場(chǎng)為極化電場(chǎng)。達(dá)到最大值的電場(chǎng)為極化電場(chǎng)。 極化電場(chǎng)必須大于樣品的矯頑場(chǎng)，通常為矯頑場(chǎng)的極化電場(chǎng)必須大于樣品的矯頑場(chǎng)，通常為矯頑場(chǎng)的2 23 3倍

33、，以常見(jiàn)的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為例，其矯頑場(chǎng)一倍，以常見(jiàn)的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為例，其矯頑場(chǎng)一般為般為8008001200V/mm1200V/mm，極化電場(chǎng)一般取，極化電場(chǎng)一般取200020003000V/mm3000V/mm。3 3 極化溫度極化溫度 在極化電場(chǎng)和時(shí)間一定的條件下，極化溫度高，電在極化電場(chǎng)和時(shí)間一定的條件下，極化溫度高，電疇取向排列容易，極化效果好。疇取向排列容易，極化效果好。 溫度過(guò)高，陶瓷的電阻率越小，耐壓強(qiáng)度降低，由溫度過(guò)高，陶瓷的電阻率越小，耐壓強(qiáng)度降低，由于高電場(chǎng)作用導(dǎo)致陶瓷體擊穿，損壞壓電陶瓷。常用壓于高電場(chǎng)作用導(dǎo)致陶瓷體擊穿，損壞壓電陶瓷。常用壓電陶瓷材料的極化溫度一般

34、為電陶瓷材料的極化溫度一般為5050150150。2 2 極化時(shí)間極化時(shí)間 外加電場(chǎng)后，極化初期主要是陶瓷內(nèi)部外加電場(chǎng)后，極化初期主要是陶瓷內(nèi)部180180電疇電疇的反轉(zhuǎn)，之后是的反轉(zhuǎn)，之后是9090電疇的轉(zhuǎn)向，而電疇的轉(zhuǎn)向，而9090電疇的轉(zhuǎn)向會(huì)電疇的轉(zhuǎn)向會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力的阻礙而較難進(jìn)行，因此適當(dāng)延長(zhǎng)極化時(shí)間，由于內(nèi)應(yīng)力的阻礙而較難進(jìn)行，因此適當(dāng)延長(zhǎng)極化時(shí)間，電疇取向排列的程度高，極化效果好。一般極化時(shí)間為電疇取向排列的程度高，極化效果好。一般極化時(shí)間為10min10min50min50min。 極化電場(chǎng)、極化時(shí)間和極化溫度三者必須綜合考慮，它們之間極化電場(chǎng)、極化時(shí)間和極化溫度三者必須綜合考慮，

35、它們之間互有影響，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確定最佳極化工藝參數(shù)?；ビ杏绊?，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確定最佳極化工藝參數(shù)。1.4.3.生產(chǎn)工藝中影響陶瓷壓電材料性能的因素（1）原料對(duì)性能的影響 原料的純度和所處的狀態(tài)對(duì)壓電陶瓷材料的性能有極大的影響。同一配方，使用不同出處的原料可能得到不同性能的陶瓷，因此根據(jù)雜質(zhì)對(duì)性能的影響，一般來(lái)說(shuō)，配料中用量大的原料，要求純度高些，要求達(dá)98%以上。而用量很小的添加劑，即使純度低些也不致引入較多的雜質(zhì)。（2）合成條件對(duì)性能的影響 預(yù)燒的主要目的是為了使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行，合成鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的主晶相。500600：未反應(yīng)600700：PbO+TiO2 PbTiO3700750：PbT

36、iO3+PbO+TiO2 Pb（Zr1-XTiX）O3 750800：PbTiO3+ Pb（Zr1-XTiX）O3 Pb（Zr0.5Ti0.5）O3（3）燒成條件對(duì)性能的影響 A 溫度和時(shí)間 B 組成對(duì)燒結(jié)的影響 添加劑對(duì)燒結(jié)的影響： “軟性”添加劑可以促進(jìn)燒結(jié)；“硬性”添加劑使燒結(jié)不易進(jìn)行；晶格畸變對(duì)燒結(jié)有利；液相燒結(jié)可以促進(jìn)燒結(jié)（4）極化程度對(duì)性能的影響 壓電陶瓷材料必須經(jīng)過(guò)極化之后才具有壓電性能。 同一配方，如極化條件不同，極化進(jìn)行的程度不同，材料的性能指標(biāo)可以相差很大。一般隨著極化程度的提高，d33、Kp增加。介電損耗隨著極化程度的提高而降低。Qm隨極化程度的提高而升高。1.4.4壓電

37、陶瓷材料壓電陶瓷 ： 1）一元系壓電陶瓷；2）二元系壓電陶瓷；3）多元壓電陶瓷；4）無(wú)鉛壓電陶瓷。鋯鈦酸鉛PbTiO3-PbZrO3(PZT) 1965年問(wèn)世的PCM，它由鋯酸鉛PbZrO3-鈦酸鉛PbTiO3-鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。 鈦酸鉛(PbTiO3)系壓電陶瓷；鋯酸鉛(PbZrO3)系壓電陶瓷壓電壓電陶瓷系統(tǒng)陶瓷系統(tǒng)工藝性差工藝性差（粉化，（粉化，PbOPbO易揮發(fā)）易揮發(fā)） 工藝性好工藝性好g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏米米/ /牛牛) ) g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏米米/ /牛牛) ) d d3

38、333=56(10=56(10-12-12庫(kù)庫(kù)/ /牛牛) ) d d3333=191(10=191(10-12-12庫(kù)庫(kù)/ /牛牛) ) K Kp p =0.095 =0.095 K Kp p =0.354 =0.354 難極化難極化 易極化易極化熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好 熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性差 T Tc c=490=490 T Tc c=120=120工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)窄工作溫區(qū)窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 一元系壓電陶瓷一元系壓電陶瓷壓電壓電陶瓷系統(tǒng)陶瓷系統(tǒng)二元系二元系Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O3 3壓電陶瓷壓電陶瓷PbZrOPb

39、ZrO3 3PbTiOPbTiO3 3相相 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)正交晶系正交晶系正交晶系正交晶系居里溫度居里溫度 T Tc c230230490490類(lèi)類(lèi) 別別反鐵電體反鐵電體鐵電體鐵電體TTc cc/a c/a = =0.98110.98111.0631TTc c立方順電相立方順電相 因此，PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無(wú)限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡(jiǎn)稱(chēng)PZT瓷。PbZrOPbZrO3 3-PbTiO-PbTiO3 3相圖相圖1 1、隨、隨ZrZr：Ti Ti 變化，居里點(diǎn)幾乎

40、線變化，居里點(diǎn)幾乎線形地從形地從235235變到變到490 490 ，T Tc c線以線以上為立方順電相，無(wú)壓電效應(yīng)。上為立方順電相，無(wú)壓電效應(yīng)。2 2、ZrZr：Ti=53Ti=53：4747附近有一準(zhǔn)同附近有一準(zhǔn)同型相界線，富鈦側(cè)為四方鐵電相型相界線，富鈦側(cè)為四方鐵電相F FT T；富鋯一側(cè)為高溫三方鐵電相；富鋯一側(cè)為高溫三方鐵電相F FR R，溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，并與傾斜，并與T Tc c線交于線交于360360（表明（表明相界附近居里溫度相界附近居里溫度T Tc c高），在相高），在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變。立方順電相

41、立方順電相四方鐵電相四方鐵電相高溫三方高溫三方鐵電相鐵電相A0反鐵電反鐵電正交相正交相3 3、在四方鐵電相、在四方鐵電相F FT T與三方鐵電相與三方鐵電相F FR R的相界附近具有很強(qiáng)的壓電效的相界附近具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)，應(yīng)，K Kp p, , 出現(xiàn)極大值，出現(xiàn)極大值，Q Qm m出現(xiàn)極出現(xiàn)極小值。小值。低溫三方低溫三方鐵電相鐵電相準(zhǔn)同型相界準(zhǔn)同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不是一個(gè)明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，是一個(gè)明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，在此區(qū)域內(nèi)，陶瓷體內(nèi)三方相和四方相共存。在此區(qū)域內(nèi)，陶瓷體內(nèi)三方相和四方相共

42、存。PbZrOPbZrO3 3-PbTiO-PbTiO3 3準(zhǔn)同型相界的準(zhǔn)同型相界的K KP P、d d、P Pr r在相界附近的在相界附近的PZTPZT瓷壓電性能比瓷壓電性能比BaTiOBaTiO3 3瓷高得多。瓷高得多。由于相界處由于相界處PZTPZT瓷的瓷的T Tc c高高(360)(360)，因而在，因而在200200以?xún)?nèi)以?xún)?nèi),K,KP P和和都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。PZTPZT瓷的摻雜改性瓷的摻雜改性 為了滿(mǎn)足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的為了滿(mǎn)足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的PZTPZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來(lái)取代壓電陶

43、瓷，為此我們可以添加不同的離子來(lái)取代A A位的位的PbPb2+2+離子或離子或B B位的位的ZrZr4+4+,Ti,Ti4+4+離子，從而改進(jìn)材料的性能。離子，從而改進(jìn)材料的性能。其它取代改性硬性取代改性軟性取代改性異價(jià)取代等價(jià)取代摻雜改性PZT等價(jià)取代是指用等價(jià)取代是指用CaCa2+2+、SrSr2+2+、MgMg2+2+ 等半徑較等半徑較 PbPb2+2+ 離子小的二價(jià)離離子小的二價(jià)離子取代子取代PbPb2+2+ 離子，結(jié)果使離子，結(jié)果使PZTPZT陶瓷的介電常數(shù)陶瓷的介電常數(shù)增大增大，機(jī)電耦合系，機(jī)電耦合系數(shù)數(shù)K KP P增大增大,壓電常數(shù)壓電常數(shù)d d增大增大 , ,從而提高從而提高P

44、ZTPZT瓷的壓電性能。瓷的壓電性能。1、等價(jià)取代、等價(jià)取代2、異價(jià)取代、異價(jià)取代所謂所謂“軟性取代改性軟性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)E EC C 減減小小 ，極化容易，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變，極化容易，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“軟軟”。（a a）LaLa3+3+ 、BiBi3+3+、SbSb3+3+ （銻）等取代（銻）等取代A A位位PbPb+2+2離子（施主摻雜）；離子（施主摻雜）；（b b）NbNb5+5+、TaTa5+5+、SbSb5+5+、W W6+6+等取代等取代B B位的位的ZrZr4+4+、TiTi4+4+離

45、子（施主摻雜）。離子（施主摻雜）。 經(jīng)軟性取代改性后的經(jīng)軟性取代改性后的PZTPZT瓷性能有如下變化：瓷性能有如下變化： 矯頑場(chǎng)強(qiáng)矯頑場(chǎng)強(qiáng)E EC C 減小減小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m減小減?。?介電常數(shù)介電常數(shù)增加增加，介電損耗，介電損耗tantan增加增加,機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K KP P增加增加, , 抗老化性增加，絕緣電阻率抗老化性增加，絕緣電阻率增加增加 。2.1 軟性取代改性軟性取代改性 “軟性”添加劑是常用的改性添加劑。如：接受型水聲換能器材料，為了提高Kp值和介電常數(shù)，常常用La2O3、Nb2O5摻雜改性。Pb0.95Sr0.05（Zr0.52Ti0.48)

46、O3+0.9%La2O3+0.9%Nb2O5 Kp=0.60，=2100，Qm=80，穩(wěn)定性較好，體積電阻率1012歐姆 “軟性”添加劑的量一般不超過(guò)5%。所謂所謂“硬性取代改性硬性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)E EC C 增增加加，極化變難，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變，極化變難，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“硬硬”。（a a） K K+ +，NaNa+ +等取代等取代A A位位PbPb+2+2離子（受主摻雜）；離子（受主摻雜）；（b b） FeFe2+2+、CoCo2+2+、MnMn2+2+( (或或FeFe3+3+、CoCo3+3

47、+、MnMn3+3+) )、NiNi2+2+、MgMg2+2+、AlAl3+3+、CrCr3+3+等等取代取代B B位的位的ZrZr4+4+、TiTi4+4+離子（受主摻雜）。離子（受主摻雜）。 經(jīng)硬性取代改性后的經(jīng)硬性取代改性后的PZTPZT瓷性能有如下變化：瓷性能有如下變化： 矯頑場(chǎng)強(qiáng)矯頑場(chǎng)強(qiáng)E EC C增加增加，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m增加增加； 介電常數(shù)介電常數(shù)減小減小，介電損耗，介電損耗tantan減小減小,機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K KP P減小減小, , 抗老化性降低，絕緣電阻率抗老化性降低，絕緣電阻率減小減小 。2.2 硬性取代改性硬性取代改性壓壓 電電 性性 能

48、能符符 號(hào)號(hào)軟軟 性性硬硬 性性矯矯 頑頑 場(chǎng)場(chǎng) 強(qiáng)強(qiáng)E EC C減減 小小增增 大大機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m減減 小小增增 大大機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K KP P增增 加加減減 小小介介 電電 常常 數(shù)數(shù)增增 加加減減 小小介介 電電 損損 耗耗tantan增增 加加減減 小小絕緣電阻率絕緣電阻率增增 加加減減 小小v通常取代量不超過(guò)鉛離子的20%，以510%為適宜。v例如：Pb0.95Sr0.05Mg0.03(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5%CeO2+0.2%MnO2 Kp=0.575，Qm=10002.3 2.3 其它取代改性其它取代改性非軟非硬添加劑如非軟非硬添加

49、劑如CeCe4+4+（鈰）、（鈰）、CrCr3+3+和和SiSi4+4+等，兼具軟性和硬性等，兼具軟性和硬性的特征。的特征。軟性抗老化性PvK硬性mcQE在在PZTPZT陶瓷中加入陶瓷中加入 CeOCeO2 2后：后：在在PZTPZT陶瓷中加入陶瓷中加入 CrCr2 2O O3 3后：后：硬性PmKQ軟性抗老化性tan多元系多元系Pb(TiZr)OPb(TiZr)O3 3壓電陶瓷壓電陶瓷一些性能往往是互相克制的，如：一些性能往往是互相克制的，如： 國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的PZTPZT瓷料的性能瓷料的性能K KP P=0.10=0.100.400.40，Q Qm m=500=5003600

50、,3600 ,具有比較寬的覆蓋范圍，能滿(mǎn)足一般壓電具有比較寬的覆蓋范圍，能滿(mǎn)足一般壓電器件的要求，但這些性能都不是最佳值。器件的要求，但這些性能都不是最佳值。 19651965年以來(lái)，人們通過(guò)在年以來(lái)，人們通過(guò)在PZTPZT的基礎(chǔ)上再固溶另一種組的基礎(chǔ)上再固溶另一種組分更復(fù)雜的復(fù)合鈣鈦礦化合物分更復(fù)雜的復(fù)合鈣鈦礦化合物Pb(BPb(B1 1B B2 2)O)O3 3而形成的三元系、而形成的三元系、四元系甚至五元系壓電陶瓷以獲得更好的壓電性能。四元系甚至五元系壓電陶瓷以獲得更好的壓電性能。Q Qm m 增加增加 ，則，則K KP P減小減小 ；增加增加，則，則tantan增大增大 ；K KP P

51、增加增加 ，則熱穩(wěn)定性，則熱穩(wěn)定性。Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3三元系三元系壓電陶瓷壓電陶瓷Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(SbPb(Sb1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2

52、W W1/21/2)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3新發(fā)展的三元系壓電陶瓷，是由三元組成的，第一元是新添元素，成分百分比以x表示，第二元為鈦酸鉛（PbTiO3），其百分比用y表示，第三元為鋯酸鉛（PbZrO3），其百分比用Z表示，此外還添入了少量雜質(zhì)和替代物。鈮鎂酸鉛系xPb（Mg1/3Nb2/3）O3：具有徑向振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)（Kp）高，介電常數(shù)高，Qm值較大，穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)，某些配方還可達(dá)到機(jī)械強(qiáng)度，特別是抗彎強(qiáng)度很高，可用

53、于拾音器、微音器、濾波器、變壓器、超聲延遲線以及引燃引爆器等。鈮鎳酸鉛系xPb（Ni1/3Nb2/3）O3：介電常數(shù)很大，Kp中等，聲頻特性好。鈮鋅酸鉛系xPb（Zn1/3Nb2/3）O3：具有高的徑向振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)和較低的Qm值（添加一些MnO2或NiO2則可提高Qm達(dá)到200），有較高的溫度穩(wěn)定性，適用于濾波器材料。鈮錳酸鉛系xPb（Mn1/3Nb2/3）O3：Qm值高、時(shí)間穩(wěn)定性好、介電常數(shù)較低、徑向振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)Kp中等，適合作濾波器和延遲線振子。鈮銻酸鉛系xPb（Sb1/2Nb1/2）O3：Kp值高、穩(wěn)定性較好、Qm值大，頻率溫度系數(shù)很小。鎢鎘酸鉛系xPb（Cd1/2W1/2）O

54、3：頻率的溫度與時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，還有鈮鈷酸鉛系xPb（Co1/3Nb2/3）O3：其徑向振動(dòng)機(jī)電耦合系數(shù)Kp和Qm值均較高，可用作超聲振子和變壓器、濾波器、拾音器等。銻錳酸鉛系xPb（Mn1/2Sb1/2）O3：Kp調(diào)節(jié)范圍大、Qm值很高，介質(zhì)損耗小，穩(wěn)定性良好。鎢錳酸鉛系xPb（Mn1/2W1/2）O3：擊穿電壓極高，Qm值很大，Kp值大，而且諧振頻率溫度穩(wěn)定性好。鎂碲酸鉛系xPb（Mg1/2Te1/2）O3：可耐反復(fù)加壓，電、機(jī)性能老化小。三元系中組成和性能之間的關(guān)系以Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-PbZrO3為例 見(jiàn)相圖，其三元體系的相界是以線表示的，在相線附近的組

55、成具有、Kp的極大值，同時(shí)也具有Qm極小值。再結(jié)合添加劑的改性，可以使材料的性能得到進(jìn)一步的改善。 由于第三、第四組元的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更由于第三、第四組元的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更為寬廣，在為寬廣，在PZTPZT陶瓷中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種陶瓷中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種性能均可以較大程度地滿(mǎn)足。性能均可以較大程度地滿(mǎn)足。以以Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3- -PbZrOPbZrO3 3系為例，三者能完全系為例，三者能完全固溶，且具有三種晶型。固溶，且具有三種晶型。富富TiTi區(qū)主要為三方鐵電體區(qū)

56、主要為三方鐵電體, ,富富NbNb、MgMg區(qū)為假立方鐵電體。區(qū)為假立方鐵電體。隨著隨著Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3固溶量固溶量的增加，在室溫下將出現(xiàn)兩的增加，在室溫下將出現(xiàn)兩條準(zhǔn)同形相界，當(dāng)成分在準(zhǔn)條準(zhǔn)同形相界，當(dāng)成分在準(zhǔn)同形相界附近時(shí)都具有特別同形相界附近時(shí)都具有特別突出的壓電性能。因此使具突出的壓電性能。因此使具有優(yōu)異壓電性能的組成范圍有優(yōu)異壓電性能的組成范圍更為寬廣。更為寬廣。Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Ni-Pb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZ

57、rO-PbZrO3 3四元系四元系壓電陶瓷壓電陶瓷五元系五元系壓電陶瓷壓電陶瓷Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3 -Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O

58、3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Cd-Pb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Mg-Pb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3無(wú)鉛

59、壓電材料無(wú)鉛壓電材料 迄今為止，可被考慮的無(wú)鉛壓電陶瓷體系有： BaTiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷；Bi1/2Na1/2TiO3（BNT）基無(wú)鉛壓電陶瓷；鈮酸鹽系無(wú)鉛壓電陶瓷；鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷。具體為：1.BaTiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷 a（1-x） BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等） b （1-x） BaTiO3-xAIBIIO3 （AI=K、Na，BII=Nb、Ta） c（1-x） BaTiO3-xAII0.5NbO3 （AII=Ca、Sr、Ba）壓電陶瓷壓電陶瓷2.Bi1/2Na1/2TiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷a (1-x)BNT-xBi0.5K0.5TiO3b

60、 (1-x)BNT-xATiO3(A=Ba、Sr、Ca或由它們組成的復(fù)合離子）c (1-x)BNT-xAINbO3（AI=K、Li、Na）d (1-x)BNT-xAIBIIO3（AI=Bi、La；BII=Cr、Fe、Sc、Mn）e (1-x)BNT-xBaTiO3-yBiFeO33.NaNbO3基無(wú)鉛壓電陶瓷 A（1-x）NaNbO3-xAINb2O6 b（1-x）NaNbO3-xAITiO34.鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷 a Bi4Ti3O12基無(wú)鉛壓電陶瓷 b MBi4Ti4O15基無(wú)鉛壓電陶瓷 c MBi2Nb2O9基無(wú)鉛壓電陶瓷（M=Sr、Ca、Ba、 Na0.5Bi0.5等) d 復(fù)合鉍層狀