鐵電陶瓷課件

1、第二章 鐵電陶瓷鐵電效應(yīng)：某些電介質(zhì)可自發(fā)極化，在外電場作用下自發(fā)極化能重新取向的現(xiàn)象稱鐵電效應(yīng)。具有這種性能的陶瓷稱鐵電陶瓷。鐵電陶瓷具有電滯回線和居里溫度。在居里溫度點(diǎn)，晶體由鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)榉氰F電相，其電學(xué)、光學(xué)、彈性和熱學(xué)等性質(zhì)均出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。 鐵電陶瓷中所含有的永久偶極子彼此相互作用，結(jié)果形成許多電疇。在一個(gè)電畤范圍內(nèi)，偶極子取向均相同；對(duì)不同的電畤，偶極子則有不同的取向。因此，在無電場存在時(shí)，整個(gè)晶體沒有凈偶極矩，但在施加足夠的電場時(shí)，那些取向和電場方向一致的疇生長變大，而其它方向的疇收縮變小，隨后產(chǎn)生凈極化強(qiáng)度。 鐵電陶瓷與其它的電介質(zhì)陶瓷不同，它的極化強(qiáng)度不與施加電場成線性關(guān)系，并

2、具有明顯的滯后效應(yīng)。 鐵電體的電滯回線飽和極化強(qiáng)度Ps 剩余極化強(qiáng)度Pr飽和電場強(qiáng)度Esat 矯頑電場強(qiáng)度Ec 主要內(nèi)容一、 壓電陶瓷二、 熱釋電陶瓷三、 透明鐵電陶瓷四、 鐵電電容器陶瓷一、結(jié)構(gòu)與性能1、鈣鈦礦型壓電陶瓷的結(jié)構(gòu) 壓電陶瓷定義：具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷。正壓電效應(yīng)：在沒有對(duì)稱中心的晶體上施加壓力、張力、切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，且在晶體兩端出現(xiàn)正、負(fù)電荷；逆壓電效應(yīng)：在晶體上施加電場引起極化時(shí)，產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。正、逆效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)陶瓷材料是由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微晶不規(guī)則集合多晶體。由于陶瓷體

3、內(nèi)部的晶粒隨機(jī)取向，因而整個(gè)陶瓷體內(nèi)部的自發(fā)極化也是隨機(jī)取向的，整體上不顯示壓電效應(yīng)。要使鐵電陶瓷具有壓電性，必須作人工極化處理。人工極化過程：在壓電陶瓷上施加直流強(qiáng)電場。壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電疇形成）由于壓電陶瓷極化后具有壓電性，因此，構(gòu)成陶瓷的晶體必須是鐵電體。鐵電體從順電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相時(shí)具有自發(fā)極化，自發(fā)極化方向一致的區(qū)域成為電畤。鐵電疇之間的界面稱為電畤壁。兩電畤平行排列的邊界稱為180疇壁，兩電畤互相垂直的邊界稱為90疇壁。相鄰兩個(gè)疇中自發(fā)極化方向只能成90角或180角，相應(yīng)電疇交界面就分別稱為90疇壁和180疇壁。 四方相晶體90疇壁和180疇示意圖 鈣鈦礦型的晶胞結(jié)構(gòu) 從晶體結(jié)構(gòu)來

4、看，屬于鈣鈦礦型、鎢青銅型、焦綠石型、含鉍層結(jié)構(gòu)的陶瓷具有壓電性。但目前應(yīng)用最廣的壓電陶瓷都屬于鈣鈦礦型晶胞結(jié)構(gòu)（ABO3）。 這種電極化不是由外電場產(chǎn)生，而是由晶體自身產(chǎn)生的，所以成為自發(fā)極化，其相變溫度TC稱為居里溫度。BT中自發(fā)極化產(chǎn)生示意圖 壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)（晶胞與自發(fā)極化）(2) 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)： 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也是衡量壓電陶瓷材料的一個(gè)重要參數(shù)。它表示在振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。產(chǎn)生損耗的原因在于內(nèi)摩擦。(3) 壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程：(4) 機(jī)電耦合系數(shù)K ： 是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機(jī)械能與電能的耦合效應(yīng)。機(jī)電耦

5、合系數(shù)反映了機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換程度，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因而k總是小于1的。三 壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝 壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：配料 球磨 過濾、干燥 預(yù)燒 二次球磨過濾、干燥 過篩 成型 排塑 燒結(jié) 精修 上電極 燒銀 極化 測試 原料處理 首先，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式配料。所用的原料大多數(shù)是金屬氧化物，少數(shù)也可用碳酸鹽。為使生成壓電陶瓷的化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，要求原料細(xì)度一般不超過2m（平均直徑）。提高原料純度，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。 預(yù)燒中的反應(yīng)過程 預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個(gè)階段： 線性膨脹（室溫-400），固相反應(yīng)（400-750）， 收縮（7

6、50-850），和晶粒生長（800-900以下）。 成型和排塑 原料經(jīng)預(yù)燒后，就合成了固溶體化合物。再經(jīng)一次粉碎，便可成型。成型可根據(jù)不同的要求采用軋膜、壓型或等靜壓等方式。成型后生坯進(jìn)行排塑，將粘合劑、水分等加溫排去。 上電極 排塑后的生坯重新裝爐燒結(jié)。燒成的陶瓷經(jīng)精修、研磨、清潔后，就可以被覆上電極。被覆電極一般采用涂布銀漿烘干，然后裝爐，加熱到750，保溫10-20分鐘，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。也可采用真空蒸鍍或化學(xué)沉積等辦法來被電極。 影響燒結(jié)的因素 影響燒結(jié)的因素很多，首先是配方的化學(xué)組成，當(dāng)配方組成中有足夠的活動(dòng)離子時(shí)，燒結(jié)容易進(jìn)行。 極化 壓電

7、陶瓷必須經(jīng)過極化后才有壓電性。極化就是在直流電場作用下使電疇沿電場方向取向。 應(yīng)用領(lǐng)域舉例壓電變壓器雷達(dá)、電視顯像管，陰極射線管，激光管等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源振蕩器，壓電音叉信號(hào)轉(zhuǎn)換揚(yáng)聲器、蜂鳴器，超聲換能器，超聲切割信號(hào)處理濾波器，放大器，表面波導(dǎo)傳感與計(jì)測加速度計(jì)，壓力計(jì)，紅外探測器，位移發(fā)生器儲(chǔ)存顯示光信息存儲(chǔ)器，聲控開關(guān)其他壓電繼電器等壓電超聲醫(yī)療儀中應(yīng)用最廣的是B型超聲診斷儀。這種診斷儀中有用壓電陶瓷制成的超聲波發(fā)生探頭，它發(fā)出的超聲波在人體內(nèi)傳輸，體內(nèi)各種不同組織對(duì)超聲波有不同的反射和透射作用。反射回來的超聲波經(jīng)壓電陶瓷接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并顯示在屏幕上，據(jù)此可看出各內(nèi)臟的位置、大小及有無病

8、變等。B型超聲診斷儀通常用來檢查內(nèi)臟病變組織(如腫塊等)。壓電陶瓷應(yīng)用壓電超聲馬達(dá)世界上最小的馬達(dá)（電機(jī)）：重36mg，長5mm，直徑1mm，可作為人造心臟的驅(qū)動(dòng)器。壓電喇叭應(yīng)用實(shí)例N506iV501T壓電陶瓷超聲清洗壓電陶瓷探傷儀壓電陶瓷測厚儀壓電陶瓷加濕器壓電陶瓷變壓器雷達(dá)顯示器高壓電源壓電變壓器電警棍壓電陶瓷噴墨打印金屬片圓錐形容器內(nèi)液層外墨水池噴嘴金屬膜墨水壓電陶瓷換能器輸入信號(hào)壓電致動(dòng)器用于相機(jī)鏡頭（二）熱釋電陶瓷定義 熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)某些晶體受到溫度變化時(shí)，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象。 熱釋電材料可作熱釋電探測器使用。其中鋯鈦酸鉛（Pb（Zr,Ti

9、）O3）鐵電順電相變陶瓷材料，由于改性減少了熱滯，使它顯示了良好的熱釋電性能，已制成了單個(gè)探測器和矩陣，在紅外探測和熱成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電紅外檢測元件熱釋電探測器的應(yīng)用實(shí)例：（1）入侵報(bào)警熱釋電紅外探測器的最大使用方向是用作紅外入侵報(bào)警系統(tǒng)的人體熱輻射傳感器。為了提高系統(tǒng)的性能，一般采用多面反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，探測器放在共同的焦點(diǎn)上，通過探測器的像點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一列交變信號(hào)，頻率范圍在0.1-10Hz之間，一般可探測15米以內(nèi)移動(dòng)的人體。用來探測人體最多的是門自動(dòng)開關(guān)、入侵者報(bào)警器、來客報(bào)信機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)等。香港無間盜集團(tuán)有限公司產(chǎn)防盜紅外探測器卷閘門報(bào)警器 紅外探測器用于工業(yè)設(shè)備

10、檢測和監(jiān)控、疾病早期診斷與醫(yī)療監(jiān)控、消防和海上救援用頭盔夜視儀、高速公路和銀行夜間安全監(jiān)視、森林火災(zāi)預(yù)警、倉庫和重要物資的夜間監(jiān)控與保衛(wèi)、執(zhí)法輯毒和生活小區(qū)防范等領(lǐng)域。（2）火焰探測 火焰探測器常用于可能出現(xiàn)明火的場合，如石油平臺(tái)、儲(chǔ)油罐等，并已開始用于自動(dòng)滅火系統(tǒng)。使用中的主要問題是區(qū)分火焰和外界的光學(xué)干擾（如太陽光和白熾燈的反射光）。 這種火焰探測系統(tǒng)，可監(jiān)視200平方米區(qū)域內(nèi)的火情，警戒距離為20m。用該光譜的檢測方法監(jiān)測大氣污染和測定某些特種氣體的含量，只需配置與該氣體的特片吸收峰相對(duì)應(yīng)的窄帶濾光片?；鹧嫣綔y器（3）非接觸測溫有兩種場合需要選用非接觸法測溫：一是不能接觸的運(yùn)動(dòng)部件或極高

11、溫的熔體，另一種是小面積的輻射源，熱釋電紅外探測器通常用于-60-100的溫度范圍。（4）紅外熱像儀景物的紅外輻射經(jīng)透鏡成像在靶面上，由于溫度分布而產(chǎn)生靶面上的電荷分布，在靶的背面用掃描電子束讀出。采用光機(jī)方法對(duì)景物作二維掃描，單元熱釋電探測器接收熱輻射，經(jīng)放大把熱像顯示在示波管上，這種熱像儀特別適用于室內(nèi)工作，通常作為臨床醫(yī)學(xué)的最新診斷手段之一。熱像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、遙感、無損探傷、臨床醫(yī)學(xué)以及節(jié)能技術(shù)等方面，具有室溫工作、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。 德國德圖Testo紅外熱像儀直立式紅外熱像儀廣州颯特有限公司生產(chǎn)1 PbTiO3陶瓷。 熱釋電系數(shù)隨溫度變化很小，可作穩(wěn)定的紅外探測器PZT。2 P

12、ZT系陶瓷 PZT（ PbZr1-xTixO3）廣泛地用作壓電材料。利用PbZr1-xTixO3在x=0.1附近的復(fù)雜相變，可制得性能較好的熱釋電原件。三、幾種典型的熱釋電陶瓷 從發(fā)現(xiàn)熱釋電效應(yīng)至今, 非制冷紅外探測器用熱釋電材料已經(jīng)得到了較為廣泛的研究, 研發(fā)人員通過各種途徑來制備性能優(yōu)良的熱釋電材料, 并取得了重要的進(jìn)展。從應(yīng)用的角度看, 目前存在的主要問題為:熱釋電材料發(fā)展中存在的問題以及展望1) 材料的綜合電性能。如何提高介電常數(shù)，減低介電損耗和漏電流，提高熱釋電系數(shù)等。(2) 陶瓷的可加工性。(3) 薄膜材料制備工藝。（三）透明鐵電陶瓷 由于氣孔相、晶界和雜質(zhì)相的散射，一般多晶體陶瓷

13、是不透明的，通過適當(dāng)?shù)墓に嚕梢钥刂破滹@微結(jié)構(gòu)和晶界性質(zhì)，使之成為透明陶瓷，一般Al2O3、Y2O3、MgO、BeO、ThO等都可制成透明陶瓷。 PLZT既有透明性，又有鐵電和壓電性，其光學(xué)性質(zhì)與鐵電性密切相關(guān)（摻鑭鈦鋯酸鉛（PLZT） PLZT透明陶瓷是一種重要的電光陶瓷一、透明鐵電陶瓷的組成和相圖1、電光效應(yīng)設(shè)外加偏置電場為E0，則晶體的折射率將隨著E0的改變而變化，這種由于外電場引起的晶體折射率的變化稱為光電效應(yīng)。2、光彈性效應(yīng)通常，介電常數(shù)和折射率不僅和外電場有關(guān)，而且和應(yīng)力也有關(guān)。由機(jī)械力而引起的折射率的變化，稱為光彈性效應(yīng)或壓光效應(yīng)。二、透明鐵電陶瓷的電光特性和應(yīng)用3、雙折射雙折射

14、率則是當(dāng)普通光線進(jìn)入各向異性物質(zhì)內(nèi)（如方解石、棉纖維、人造纖維等），除在表面有反射光之外，進(jìn)入各向異物質(zhì)的光線會(huì)變?yōu)閮蓷l光線，一條光線遵守折射定律，稱為尋常光線，簡稱O光；另一條光線并不按照折射定律的角度而折射，稱為非尋常光線，簡稱E光。這種現(xiàn)象即稱為雙折射。這兩條光線的折射率之差，就稱為雙折射率。4、電控可見光散射透明鐵電陶瓷的電畤具有“電控特性”，即使在25m 25m 這樣一個(gè)小區(qū)域也可以單獨(dú)地極化或反轉(zhuǎn)，而不影響其周圍區(qū)域的狀態(tài)。當(dāng)電場撤除后，小區(qū)域保持其剩余極化，當(dāng)加足夠大電場時(shí)，又可變回至原態(tài)。電畤狀態(tài)的這種變化，伴隨著透明鐵電陶瓷的光學(xué)性質(zhì)的改變。所以，光學(xué)性質(zhì)的變化也是可控的。對(duì)于粗晶粒的透明鐵電陶瓷，主要是應(yīng)用其電控光散射作用。5、電控可變表面形變 在三角晶相的PL