材料物理壓電課件

壓電材料張洋

20111340149壓電材料張洋

201113401491壓電材料一認識壓電材料二壓電效應三壓電材料的分類四壓電材料的應用五壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀六總結壓電材料一認識壓電材料2壓電材料一認識壓電材料二壓電效應三壓電材料的分類四壓電材料的應用五壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀六總結壓電材料一認識壓電材料3一認識壓電材料1942年

在BaTiO3陶瓷上獲得了壓電陶瓷的電壓性。飛躍。但與兩類鐵電體相比也有缺點。50年代美國日本先后

利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器等的應用研究。1955美國B.Jaffe

等人更優(yōu)越的PZT（鋯鈦酸鉛）壓電陶瓷，促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了一大步。后來

PLZT透明壓電陶瓷使壓電陶瓷的應用擴展到光學領域。迄今壓電陶瓷的應用，上至宇宙開發(fā)，下至家庭生活極其廣泛。一認識壓電材料1942年在BaTiO3陶瓷上獲得了壓電4一認識壓電材料

什么是壓電材料？

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電石英晶體材料換能器一認識壓電材料什么是壓電材料？

壓電材料是受到壓力5壓電材料的主要工程參數(shù)

1、壓電常數(shù)d33

壓電常數(shù)是反映力學量（應力或應變）與電學量（電位移或電場）間相互耦合的線性響應系數(shù)。當沿壓電陶瓷的極化方向（z軸）施加壓應力T3時，在電極面上產生電荷，則有以下關系式：式中d33為壓電常數(shù)，足標中第一個數(shù)字指電場方向或電極面的垂直方向，第二個數(shù)字指應力或應變方向；T3為應力；D3為電位移,它是壓電介質把機械能（或電能）轉換為電能（或機械能）的比例常數(shù)，反映了應力（T）、應變（S）、電場（E）或電位移（D）之間的聯(lián)系，直接反映了材料機電性能的耦合關系和壓電效應的強弱。壓電材料的主要工程參數(shù)1、壓電常數(shù)d33

壓電常數(shù)是62、機電耦合系數(shù)Kp

機電耦合系數(shù)K是一個綜合反映壓電陶瓷的機械能與電能之間耦合關系的物理量，是壓電材料進行機—電能量轉換能力的反映。機電耦合系數(shù)的定義是：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）的機械能與其形狀和振動模式有關，不同的振動模式將有相應的機電耦合系數(shù),。如對薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）；薄形長片長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。2、機電耦合系數(shù)Kp機電耦合系數(shù)K是一個綜合反映73、機械品質因數(shù)Qm

壓電陶瓷在振動時，為了克服內摩擦需要消耗能量。機械品質因數(shù)Qm是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。Qm越大，能量消耗越小。機械品質因數(shù)Qm的定義式是：其中：fr為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時的最小阻抗Zmin（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容3、機械品質因數(shù)Qm壓電陶瓷在振動時，為了克服內8壓電材料一認識壓電材料二壓電效應三壓電材料的分類四壓電材料的應用五壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀六總結壓電材料一認識壓電材料9二壓電效應①壓電效應-機械能轉變?yōu)殡娔苣承╇娊橘|,當沿著一定方向對其施力而使它變形時,其內部就產生極化現(xiàn)象,同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷,當外力去掉后,其又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應?！裾龎弘娦斪饔昧Ψ较蚋淖儠r,電荷的極性也隨之改變。把這種機械能轉為電能的現(xiàn)象,稱為“正壓電效應”。

●壓電傳感器大都是基于壓電材料的正壓電效應。二壓電效應①壓電效應-機械能轉變?yōu)殡娔?0二壓電效應②逆壓電效應--電能轉變?yōu)闄C械能

當在電介質的極化方向施加電場，某些電介質在一定方向上將產生機械變形或機械應力，當外電場撤去后，變形或應力也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應。③電致伸縮效應---電能轉變?yōu)闄C械能電介質在電場的作用下會由于極化的變化而引起形變，若形變與電場方向無關，這個現(xiàn)象就稱為電致伸縮效應。FF極化面Q壓電介質機械能｛電能｝正壓電效應逆壓電效應壓電效應及可逆性二壓電效應②逆壓電效應--電能轉變?yōu)闄C械能FF極化面Q壓電11二壓電效應機械能轉變?yōu)殡娔茈娔苻D變?yōu)闄C械能正壓電效應逆壓電效應電致伸縮效應縱向壓電效應切向壓電效應橫向壓電效應壓電效應二壓電效應機械能轉變?yōu)殡娔茈娔苻D變?yōu)闄C械能正壓電效應逆壓電12壓電材料一認識壓電材料二壓電效應三壓電材料的分類四壓電材料的應用五壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀六總結壓電材料一認識壓電材料13壓電材料分類無機壓電材料有機壓電材料復合壓電材料壓電陶瓷（壓電多晶體）壓電晶體（壓電單晶體）

壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限但機械品質因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用但穩(wěn)定性很高，機械品質因子高

作標準頻率控制的振子高選擇性以及高頻、高溫超聲換能器等

偏聚氟乙烯（PVDF薄膜）柔韌，低密度，低阻抗高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、

或粉末狀壓電材料構成的制成水聲換能器，具有高的靜水壓響應速率而且耐沖擊，不易受損且可用于不同的深度。

水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆壓電材料分類無機壓電材料有機壓電材料復合壓電材料壓電陶瓷壓電14①介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好

在20℃至200℃溫度范圍內，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016%，當溫度達到573℃時（居里點），石英晶體喪失壓電特性。

②各向異性的晶體，按不同方向切割的晶片，其物理性質相差很大。

石英晶體

以壓電晶體為例，壓電效應是由于單晶受外應力時其內部晶格結構變形，使原來宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)（正負電荷中心重合）被破壞而產生電極化。①介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好

在20℃至15壓電陶瓷●極化前，各個電疇在晶體上雜亂分布，極化效應被相互抵消，原始的壓電陶瓷內極化強度為零；●在外電場作用下，電疇的極化方向趨向于按外電場的方向；●極化處理后，陶瓷內部仍存在有很強的剩余極化強度?！袷艿綁毫螅杂呻姾蛇^剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。受到拉力，出現(xiàn)充電現(xiàn)象。一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應的材料。壓電陶瓷泛指壓電多晶體。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。壓電陶瓷●極化前，各個電疇在晶體上雜亂分布，極化效應被相互抵16壓電陶瓷壓電陶瓷的性能:①很高的壓電系數(shù)；②居里點溫度低；③有熱釋電現(xiàn)象；④穩(wěn)定性不如石英晶體；⑤人工制造，成本低。無鉛壓電陶瓷及其換能器外形壓電陶瓷片壓電陶瓷壓電陶瓷的性能:無鉛壓電陶瓷及其換能器外形壓電陶瓷片17材料物理壓電ppt課件18

相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、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用，但對高頻、高穩(wěn)定應用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以19有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點。復合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學等領域得到廣泛的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）20壓電材料一認識壓電材料二壓電效應三壓電材料的分類四壓電材料的應用五壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀六總結壓電材料一認識壓電材料21壓電材料的應用換能器

換能器是將機械振動轉變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵寗酉庐a生機械振動的器件。利用上述原理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。超聲波傳感器壓電材料的應用換能器

換能器是將機械振動轉變?yōu)殡?2

壓電驅動器

壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變?yōu)闄C械能或機械運動。

世界上最小的馬達（電機）：重36mg，長5mm，直徑1mm，可作為人造心臟的驅動器。原理：當給定子加上電之后，由于逆壓電效應，定子表面就會產生超聲振動。由于定子和轉子之間的摩擦力的作用，轉子也會跟著運動起來。優(yōu)點：結構簡單、啟動快、體積小、無電磁干擾。壓電驅動器壓電驅動器利用逆壓電23積層式壓電變壓器

用于筆記本電腦液晶顯示器、桌上型電腦液晶顯示器、個人數(shù)碼助理(PDA)、數(shù)碼相機(DSC)、數(shù)碼攝影機(DSC)之冷陰極管電源模組等。積層式壓電變壓器用于筆記本電腦液晶顯示器、桌上型24壓力傳感器陶瓷壓力傳感器壓力傳感器陶瓷壓力傳感器25

壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類傳感器，在精密測量、自動化控制中起著重要的作用，在航天航空、汽車、冶金、化工等領域都得到廣泛的應用。陶瓷質電容式壓力傳感器是80年代中期問世的一種新型壓力傳感器，該傳感器是利用先進的電子陶瓷技術，集成電路技術和厚膜平面安裝電路技術，采用零力學滯后的陶瓷和陶瓷密封材料進行設計的一種干式壓力傳感器。同以往的壓力傳感器相比：1、蠕變小、滯后差、反應速度快；2、有較強的抗沖擊、抗過載能力；3、精度高，溫度漂移?。?、抗干擾能力強，測量重復性強；5、耐溫、耐腐蝕性也有很大改善。

壓力傳感器是我國傳感器系統(tǒng)中應用最廣的一類26壓電式平面喇叭

經由雙簧式壓電致動器出力使基板產生振動從而構成一揚聲機制：用于移動電話、個人數(shù)碼助理(PDA)、筆記本電腦等之發(fā)聲模塊。壓電式平面喇叭經由雙簧式壓電致動器出力使基板產生27壓電材料的應用廣泛壓電陶瓷風扇壓電振動加速計壓電陶瓷繼電器壓電點火器壓電式觸屏

壓電陶瓷壓電材料的應用廣泛壓電陶瓷風扇壓電振動壓電陶瓷繼電器壓電壓電28壓電陶瓷材料在手機上的應用壓電陶瓷材料在手機上的應用29一，手機的結構工藝特點現(xiàn)在手機結構工藝越來越復雜，結構尺寸越來越小，這對外殼材料提出了新的要求。一，手機的結構工藝特點現(xiàn)在手機結構工藝越來越復雜，結構尺寸30一，手機的結構工藝特點三，陶瓷材料在手機上的應用二，陶瓷材料的特點，優(yōu)勢一，手機的結構工藝特點三，陶瓷材料在手機上的應用二，陶瓷31一，手機的結構工藝特點現(xiàn)在手機結構工藝越來越復雜，結構尺寸越來越小，這對外殼材料提出了新的要求。一，手機的結構工藝特點現(xiàn)在手機結構工藝越來越復雜，結構尺寸32一，手機的結構特點正面反面手機的超薄要求主板器件更小，更薄，更省電。一，手機的結構特點正面反面手機的超薄要求主板器件更小，更薄33二，陶瓷材料的特點，優(yōu)勢力學特性：和金屬材料相比較，陶瓷的彈性模量大，硬度高（1500HV以上），抗壓強度高，但脆性大，抵抗裂紋擴展的能力很低。化學性能：陶瓷的化學性能非常穩(wěn)定，具有良好的抗氧化性和耐熱性，此外陶瓷對酸、堿、鹽和熔融的有色金屬有較強的耐蝕性，不會發(fā)生老化。熱性能：陶瓷材料熔點高（2000℃以上），熱硬性可達1000℃；但陶瓷熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)小，承受溫度快速變化的能力差，在高溫劇變時開裂。電性能：大多數(shù)陶瓷是電絕緣體，隨著科學技術的發(fā)展，已經出現(xiàn)了具有各種電性能的陶瓷，如半導體陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、超導陶瓷、電光和光學陶瓷等。光性能：陶瓷材料還有獨特的光學性能，可用作固體激光器材料、光導纖維材料、光儲存器等，透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等。磁性陶瓷（鐵氧體）在錄音磁帶、唱片、變壓器鐵芯、大型計算機記憶元件方面的應用有著廣泛的前途。二，陶瓷材料的特點，優(yōu)勢力學特性：34三，陶瓷材料應用----納米陶瓷外殼納米陶瓷材料應用到手機外殼的優(yōu)勢三，陶瓷材料應用----納米陶瓷外殼納米陶瓷材料應用到手機外35三，陶瓷材料應用-----納米陶瓷天線

在陶瓷表面進行金屬化，可應用于片式電感、LED封裝、半導體封裝和陶瓷電子電路、汽車電子電路等

通過該技術可以在手機陶瓷蓋板上附加NFC天線\RFID天線\無線充電電感線圈等功能，在不占用額外空間的情況下賦予手機新的功能。三，陶瓷材料應用-----納米陶瓷天線在陶瓷表面進行金屬36三，陶瓷材料應用----壓電陶瓷觸摸屏

利用壓電陶瓷的機械能-電能之間的轉換原理，可以應用到手機觸屏上，反應更靈敏，更可靠。壓電陶瓷觸摸屏三，陶瓷材料應用----壓電陶瓷觸摸屏利用壓電陶瓷的機械37三，陶瓷材料應用----壓電陶瓷揚聲器

利用壓電陶瓷做出的揚聲器，尺寸更小，厚度做到1mm以下，且對音腔體積的依賴性小傳統(tǒng)的手機揚聲器最少3mm以上的厚度，且要求后音腔體積1cc以上。三，陶瓷材料應用----壓電陶瓷揚聲器利用壓電陶瓷做出的38三，陶瓷材料應用----壓敏陶瓷電容

利用壓敏陶瓷特性做的電容，要求傳統(tǒng)器件向“微”方向發(fā)展，要求：體積小，重量輕，能耗低，性能高，易于批量生產，成本低，便于集成化和多功能化。三，陶瓷材料應用----壓敏陶瓷電容利用壓敏陶瓷特性做的39壓電材料一認識壓電材料二壓電效應三壓電材料的分類四壓電材料的應用五壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀六總結壓電材料一認識壓電材料40壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀細晶粒壓電陶瓷PbTiO3系壓電材料壓電陶瓷-高聚物復合材料壓電性特異的多元單晶壓電體壓電材料的發(fā)展現(xiàn)狀細晶粒壓電陶瓷41細晶粒壓電陶瓷以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，。減小粒徑至亞微米級，可以改進材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅動電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有好處，但同時也帶來了降低壓電效應的影響。細晶粒壓電陶瓷以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組42

為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當?shù)乃健，F(xiàn)在制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來，人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術的發(fā)展，細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發(fā)仍是近期的熱點。材料物理壓電ppt課件43材料物理壓電ppt課件44PbTiO3系壓電陶瓷PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產品難的問題，抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應用。目前該材料的發(fā)展和應用開發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關心的課題。PbTiO3系壓電陶瓷