压电陶瓷的压电原理与制作工艺

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发展，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。

2.压电陶瓷的压电原理

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效应，称为逆压电效应。

压电陶瓷的内部结构

材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定的，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结构。

2.2.1 压电陶瓷是多晶体

用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，可以得到以下几点认识：

（1）压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“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则排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。

图2 原子在空间规则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陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片

（4）整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是混乱而无规则的，如图4所示。这样的结构，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 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化

（1）晶胞结构

目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO

3）型结构，如PbTiO

3

、BaTiO

3

、K

x

Na

1-x

NbO

3

、

Pb(Zr

x Ti

1-x

)O

3

等。

该类材料的化学通式为ABO

3

。式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图5所示。

图5 钙钛矿型的晶胞结构

压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。如下式及图6所示。PbTiO

3

（PT）：四方相

立方相

BaTiO

3

（BT）：三角相正交相四方相立方相

6 钛酸钡晶胞结构随温度的转变

（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T

C

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）。下面以钙钛矿型结构从立方相变到四方相为例，说明电畴的形成。

490℃

-90℃5℃120℃

①c轴方向决定自发极化取向

压电陶瓷中晶粒内部结构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。

②能量最低原则决定畴结构

为了符合能量最低原则，四方相晶粒必须形成畴结构，即

晶格匹配要求晶胞自发极化取向一致小区的存在

能量最低原则要求自发极化取向不一致小区的搭配

如图3所示

③相结构决定畴壁类型

又因为晶粒为四方相时，自发极化的取向只能与原反应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°角或180°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

若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，则不断减小，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T

C

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。这种特性称为铁电性。所以压电陶瓷又称为铁电陶瓷，或称为铁电多晶

晶粒中形成一定的小

区排列状态—畴结构

体。

在交变电场作用下，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，P

S 为自发极化强度，P

r

为剩余极化强度，E

C

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E

C

。

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

若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，极化强度变小，释放部分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

若在陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场，如图13所示。极化强度增大，瓷片发生伸长的形变。反之则发生缩短形变。这种由电转变为机械运动，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：压电陶瓷结构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：

粉碎

配料混合预烧成型排胶

测试

上电极

机械加工烧成

极化

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基础。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 ① 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。

② 有利杂质

与材料A 、B 位离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如Ca 2+、Sr 2+、Ba 2+、Mg 2+、Sn 4+、Hf 4+等离子，一般在~%范围内，坏的影响不大，甚至有利。

2) 材料类型

① 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%以内的杂质不足以显着影响施主杂质的既定作用。

② 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%以下。对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Pb 3O 4、ZrO 2、TiO 2分别占重量比的60%、20%和10% 左右，若杂质多，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

稳定性是指未进行固相反应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氧化物的相应的碳酸盐。如Na 2CO 3、CaCO 3、SrCO 3、BaCO 3、MgCO 3等。

活泼性是指在固相反应中原料本身的活泼性。活泼性好的原料能促使固相反应完全，利于降低合成温度，减少铅挥发。如Pb 3O 4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μm，微量添加物应更细。这样，可增加混料接触面积，利于互扩散反应，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，若颗粒较粗时，如MnO 2、出厂未细磨的ZrO 2等，必须细磨。可采取振磨、球磨、行星磨等，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，含水原料必须进行烘干脱水处理。一般在电热式干燥箱中干燥。温度110~120℃，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 ① 写出配方的化学分子式

② 写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量(mol 质量) ③ 用以下公式计算各原料所需用量

1

1

i i

i n

i

i i

i x M w W P x M

==

??

∑ (i =1，2，…，n ) (1) 式中x i 为原料的mol 数，M i 为其mol 质量，x i M i 为其质量，P i 为其纯度；

1

n

i i

i x M

=∑为

配方总质量；W 为总配料用量。

该方法适合于配方中以重量百分比给出添加物的情形。 2) 由原料mol 数比例来计算配方的方法 ① 写出配方的化学分子式

② 写出所用原料的分子式、纯度，并查出其分子量(mol 质量) ③ 用以下公式计算各原料所需用量

1

i i i i

w x M X P =??

(i =1，2，…，n ) (2) 式中X 为配料总mol 数，其它同上。

该方法计算比较简单，特别是配方中以mol 百分比给出添加物时，常用此法。 (2) 称料计算

称料必须达到以下要求：

① 称料天平须有一定精度。批量生产中，大料用﹪克精度天平，小料用﹪克精度天平。称料前，校准零点。

② 称料既要误差小，又要速度快，以减少原料吸收空气中水分而造成的误差。 ③ 称料与投料按大料 小料 大料顺序，以保证小料在混合中的均匀性。 ④ 严防各原料算错、称错、投错，要仔细检查，严格核对。 3.2 混合和粉碎

混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时各原料间充分的化学反应。

粉碎是将预烧好的料块碎细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为成型和烧成创造有利条件。

(1)工艺方法

使用球磨机(滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机)，加磨球(钢球、玛瑙球、锆球等)与介质(水、酒精等)，对原料进行机械混合或粉碎。

(2)工艺原理

磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。

(3)球磨工艺

具体球磨工艺视不同球磨机而定，其合理的工艺参数要通过实验结果(球磨后混合均匀程度、粉料粒度大小与分布、混杂量、效率和成本等)优选，也可借鉴相关工艺参数。

(4)球磨质量的主要影响因素

① 球磨机转速（视球磨机类型、球磨罐大小等确定）

② 球磨罐(直径、内衬材料等)

③ 磨球(比重、硬度、形状、磨损率21

1

G G

f

G t

-

=

?

)

④ 粉料填充量(60%左右)

⑤粉料、球与磨介的比例（视粉料的吸水性、球比重确定）

⑥磨介的作用(粘附、劈裂、流动、分散等)

⑦球磨时间（视球磨机类型、进料粒度而定）

⑧球磨方式(干法、湿法)

3.3预烧

预烧(也称合成)是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。

(1)预烧的目的

① 使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。

② 排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。

(2) PZT压电瓷料的合成过程

分析压电瓷料的合成过程是理解与制定预烧工艺的基础。对于PZT瓷料的合成过程，人们通过差热分析、化学分析、X射线分析等手段获得的结果见图14所示。

图14 PZT形成的差热曲线

图15 PZT 合成时各相的变化

由图14中以Pb 3O 4为原料的差热曲线可知： ① 630℃的吸热效应是因Pb 3O 4分解为PbO 引起，并开始形成PbTiO 3，到650℃形成PbTiO 3的反应最为显着。

② 790℃是PbO —ZrO 2—PbZrO 3三元共融液形成温度，但因为这时大量存在的PT 马上与PZ 生成PZT 固溶体，所以这也是PZT 开始形成的温度，该反应到850℃基本完成。

图15表示保温2小时，PZT 合成过程中各相随温度变化的情况。可以由图把反应按温度范围分成三段，即：

反应A ：350—680℃

23PbO TiO PbTiO +→

反应B ：625—800℃

3213()x x PbTiO PbO ZrO Pb Zr Ti O -++→ 反应C ：800℃以上

,,13331()()x x x x Pb Zr Ti O PbTiO Pb Zr Ti O --+→ '()x x >

(3) 预烧工艺 1) 装钵

将混合干燥后的粉料装入钵内，并压紧、扎孔、加盖、入炉。500℃前炉门微开，以利排除有机物和水分等，之后关炉门。

2) 加热条件(以典型PZT 为例) 升温速率：视炉内装料多少而定。 最高温度：850℃左右(视配方而变化)

保温时间：650℃左右保温1-2小时，以生成PT 。 850℃左右保温2小时，以生成PZT 。 降温速率：关电随炉冷却，至200℃以下出炉。

炉内气氛：以中性或氧化气氛为好；还原气氛会导致料粉还原发黑，必须严加控制。硅碳棒炉好于电阻丝炉。

(4) 预烧瓷料质量要求

外观：颜色正常、均匀一致；有一定膨胀或收缩(视具体配方)；硬度适中。 化学分析：游离锆、钛、铅少，小于% 相分析：为钙钛矿相，无杂相。 (5) 影响预烧的因素 ① 原料活性及颗粒度

其制约关系有 2012Q kT

r t D e

-=

? 式中，t 为固相反应完全所需时间；r 为颗粒直径；D 0为扩散频率因子；Q 为激活能；T 为温度；k 为常数。

这说明，固相反应的速度与原料扩散状况(D 0)、活性(

1

Q

)、温度成正比，而与原料颗粒平均直径成反比。

② 合成温度(以上已说明)。 ③ 升温速率和保温时间。 ④ 坯料压紧力。

⑤ 炉内温度均匀性、气氛等。 成型与排塑

成型就是将瓷料压制成所需要的形状规格的坯体，并为烧结创造条件。排塑就是在一定温度下，将成型过程中加入瓷料中的粘合剂（或塑化剂）排除，并使坯体具有一定的机械强度。 3.4.1成型

坯体成型的方式和方法很多，如压力成型法、可塑成型法和浆料成型法等，每大类成型法中又可分为若干具体成型方法。可以根据制品的形状、规格、大小来选择使用，但各有利弊。这里仅介绍广泛采用的干压成型法。

干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。

（1） 干压成型原理

在外力作用下，瓷料颗粒在模具内相互靠近，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系起来，成为保持一定形状的坯体。

干压坯体的结构：可看成由液相（粘合剂）层、空气、瓷料颗粒组成的三相结合体系。

内部作用力及其物理机制：①颗粒接触镶嵌引起的啮合力；②粘合剂在颗粒间微孔中的无细管压力；③颗粒间、粘合剂和颗粒间的分子引力；④接触物间电荷转移引起的静电吸引力。

（2） 成型条件选择的一般原则 1) 加压方式

干压成型一般分单向加压和双向加压两种方式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。

2) 压力

对不同瓷料、不同形状制品，压强由实验确定。一般在1-3T/cm 3范围，以保证坯体密度均匀地达到-5.7gcm 3。

3)加压速度和保压时间

对于较大体积坯体，加压必须缓慢，达到最大压力后，需保压一定时间，以利于排除坯体中的空气，防止分层和裂纹。对薄小坯体，加压可较快，保压几秒钟即可。

（3）粘合剂的使用

1）粘合剂对成型的作用

①赋予瓷料以可塑性，便于成型，且坯体具有较高的、均匀的致密度；

②增加瓷料的粘结性，使成型坯体具有一定的机械强度；

③减少瓷料与模壁间的摩擦力，便于脱模，减小分层裂纹现象。

2）压电陶瓷制品对粘合剂的要求

④有足够的粘结性；

⑤挥发温度范围宽，能缓慢分散地分解挥发，避免快速集中挥发引起坯体开裂；

⑥挥发温度不能太低，以免和水分同时挥发，造成坯体变形或开裂，但也不能太

高，引起铅等挥发；

⑦加热挥发后，无残留杂质，以免影响制品的性能。

3）粘合剂的配制

粘合剂的品种很多，压电瓷料干压成型使用聚乙烯醇（PVA）的比较多，无毒，且基本能满足上述要求。以下介绍其典型配方、特点及制法。

⑧5%浓度的PVA水溶液，配方简单，成本低，但存放期短（10天以内）。

⑨PVA：甘油：酒精：蒸馏水=15：7：3：75（wt%）。粘度较大，存放期较长，不

易变质，但较低温度下过稠，不宜采用。

配制：混合，90℃温度下搅拌溶化，过滤、密封存放备用。

（4）造粒

造粒是将瓷料混合粘结剂后，制成流动性好的较粗颗粒（约20目/寸）。把这种颗粒称为团粒，以示区别。

1)造粒的作用

因细磨后的瓷粉细且轻、比表面积大、占据体积大，从而流动性差、装填密度和压实密度不高。所以造粒的作用就在于均匀瓷粉中的粘合剂、增加其颗粒度、比重和流动性，使成型坯体致密度提高。

2)常用造粒方法及特点

①普通手工造粒法

将瓷料加适量（如4-5wt%）的5%浓度PVA水溶液粘合剂，在研钵内手工细混均匀，然后过筛即可。

该法操作简单，但劳动强度大，混合难以均匀，团粒质量不高，效率低，仅适合实验室和小量生产。

②加压造粒法

将瓷料加入4-5wt%的5%浓度PVA水溶液粘合剂，在混料机中搅研均匀，过20目/寸筛。然后在液压机上用压模以180-250kg/cm2压力保压1分钟压成圆饼。用破碎机破碎圆饼，直至全部通过20目/寸筛即可备用。

该法团粒密度大，坯体机械强度高，能满足各种大型和异型制品成型要求。但产量较小，效率不高，工艺操作要求严格，适合于实验室实验和中批量生产。

③喷雾干燥造粒法

将混合粘合剂的瓷料先做成料浆，再经喷雾干燥机进行雾化干燥造粒，并收集备用。团粒粗细可由雾化相关条件控制。

该法颗粒为球状、流动性好、质量好、且产量大、连续生产、效率高，劳动强度小

和条件得到改善。宜于大批量生产，但设备成本高。

（5） 模具设计

模具的设计以制品的形状、尺寸、压力、粉料压缩化、烧结收缩率、粗糙度等为依据，设计模具：①配合精度（如三级精度配合）；②光洁度（如工作面▽10）；③硬度（如HRC 57-62）；④脱模锥度（一般不小于1%）；⑤形状、尺寸；⑥用材（工具钢，如Cr12钢）等。

（6） 影响成型质量的因素 1) 粘合剂

以PVA 粘合剂为例，主要影响因素有：

① 聚合度n 。n 过大，链节长，粘结力和弹性大，不利于造粒和成型；n 过小，链节轻，弹性和粘结力小，起不到粘合剂作用。n 一般选1750±50较合适。

② 用量。过少，不利于成型。过多，排塑后，气孔多，影响坯体和瓷体密度及机电性能

2) 团粒性质

主要包括粒形、粒度、粒度分布、密度等对流动性、装填密度和压实密度的影响。 3) 加压制度

包括加压方式、成型压力、加压速度和保压时间对成型质量的影响。 4) 模具

模具阴阳件的配合精度、光洁度、脱模锥度等对成型坯体有重要的影响。 3.4.2排塑

（1）排塑的必要性

成型坯体中粘合剂是一种高分子化合物，含碳多，碳在氧气不足时燃烧产生还原性很强的一氧化碳。一氧化碳夺取PZT 中的氧而形成二氧化碳，使金属氧化物还原为导电的金属（如Pb ）和半导体性质的低价氧化物（如Ti 2O 3），影响陶瓷的颜色、成瓷性、烧银、极化和最终性能。所以，在烧结前，必须对坯体进行排塑。 （2）排塑的基本要求

1）根据PVA 粘合剂的挥发性，严格控制排塑的升温速度和保温时间。

在排除PVA 粘合剂过程中，100℃左右（随坯体厚度增加而增加）是水分的挥发，200-500℃是PVA 的挥发温区。这样，100℃左右要保温一段时间，500℃以前必须缓慢升温。

2）根据PVA 粘合剂的分解特性，控制排塑气氛

PVA 粘合剂加热分解及氧不足情况下对PZT 作用的反应式有：

3

2223222)()(O nTi nPb nCO nZrO nCO O ZrTi nPb nCO

nO nC O nH nC CHOH CH n ++↑+→+→++→==

这样，PZT 坯体发生了不同程度的还原反应，将导致的结果有： ① 烧结时不易结晶成瓷，颜色不正常；

② 烧银时发生渗银发黑，极化时则难以加上电压； ③ 陶瓷电性能恶化等。

因此，必须确保使排塑炉内有充足的氧气氛。 （3）排塑工艺

将坯体装入透气性好的耐火槽板中，推入氧氛好的排塑炉内，按一定加热制度排塑。典型例如下：

升温速度：0—450℃，50℃/h；450—750，150℃/h

最高温度：750℃（600℃前，微开炉门，600℃关炉门）

保温时间：1h

冷却方式：关电源随炉冷却。

4. 烧结

烧结是利用热能使坯体转变为具有某种显微组织结构的致密陶瓷体的工艺过程。烧结理论要点与烧结过程

为了理解烧结原理，自觉执行烧结工艺，这里先简要介绍烧结理论要点和固相烧结过程。

4.1.1烧结理论要点

根据烧结的热力学和动力学研究，其理论要点有：

（1）烧结是一个过程，且具有阶段性；烧结一般分为固相烧结和液相烧结两大类型。

（2）烧结过程有其发生发展原因（热力学驱动力）。

外因：外部给予的热能；内因：瓷料总界面能的减少。

（3）烧结过程中存在物质传递。传质模型和机理主要有：①流动；②扩散；③蒸发与凝聚；④溶解与沉淀等。

（4）具体的烧结过程或阶段的快慢决定于致密化速率（生长动力学方程）。

4.1.2固相烧结过程与阶段

图16示意了固相烧结过程与阶段，以下加以分析说明。

图16 不同烧结阶段晶粒排列过程

图17 PZT系压电陶瓷烧结阶段对致密性的影响

(1) 初期阶段（颗粒结合阶段，1050℃以前）

相互接触的颗粒通过扩散使物质向颈部迁移，导致颗粒中心接近，大颗粒长大，小颗粒减小或消失，气孔形状改变并发生坯体收缩，如图16、18、19所示。继续扩散，相邻的晶界相交并形成网络，为连续贯通状态。

图18 烧结中双晶粒结合示意图

图19烧结中多晶粒结合示意图

该阶段晶粒平均粒径小、结构松疏、线收缩小。

（2）中期阶段（晶粒生长阶段，1050—1200℃）

晶粒成长是坯体中晶界移动的结果，如图20、21所示。弯曲的晶界总是向曲率中心移动，曲率半径愈小，移动愈快。边数大于六边的晶粒易长大，小于六边的晶粒则易被吞并，晶界交角为120°的六边形（晶粒截面）的晶粒最为稳定。该阶段线收缩和体密度显着增加，显气孔率大幅度降低，气孔由连续贯通变为孤立状态。在第二相包裹物（晶界中杂质、气孔等）的阻碍下，晶粒逐渐减缓。

图20 烧结中晶界移动示意图

图21 烧结中期多晶体界面移动情况

（3）末期阶段（晶粒校正阶段，1200℃—最佳烧结温度）

晶粒缓惯校正性长大，直至达到较理想的烧结程度。同时，大部分气孔从晶界排出体外，余下气孔体积缩小，最后变成彼此孤立、互不连通的闭口气孔。这种气孔一般处于多个晶粒的交界处，其内部压力高，进一步排除困难。

（4）过烧和二次晶粒长大

1）过烧

在达到最佳烧结温度后，继续升高温度，则晶界运动加剧，二次粒长大量出现，闭口气孔膨胀、裂开，密度下降的现象，称为过烧。过烧后的瓷件性能低下，要加以控制。

2）二次晶粒长大

当晶粒的正常长大由于包裹物阻碍而停止时，烧结体内可能有少数晶粒特别大，边数多，晶界曲率也较大。在一定的条件下，它们能越过包裹物而继续反常长大。这种现象称为二次晶粒长大。

造成二次晶粒长大的原因，是由于：①瓷料本身不均匀，有少数大晶粒存在；②成型压力不均匀，造成局部晶粒易长大；③烧成温度过高，加剧大晶粒生长；④局部有不均匀的液相存在，促进了粒长等。另外，当起始瓷料粒径大时，相应的晶粒生长就小；当瓷料粒度极细时，活性大，烧结温区窄，常易在小晶粒基相中出现大的晶粒。

烧结条件

4.2.1制定烧结条件的依据

烧结条件主要由四个方面组成：①升温速度；②最高烧结温度；③保温时间；④降温速度和冷却方式。

制定合理的烧结条件的一般原则是：以最经济的方式（看效率、成本等经济指标），烧出高质量的瓷料（看性能等技术指标）。

制定合理条件的依据是：①材料的相图组成—相—温度关系）；②综合热分析（失重、胀缩、热差）数据；③瓷料烧结线收缩或体积密度；④显微组织结构分析；⑤制品电性能数据。

4.2.2烧结条件的确定

确定烧结条件要重点关注两个方面的关系：一是烧结条件与瓷料组织结构、性能的关系；二是烧结条件与坯体形状尺寸的关系。以下加以分别说明。

（1）烧结温度

PZT系陶瓷元件的烧结温度，主要取决于配方的化学组成、瓷料粒度、坯体的形状尺寸、成型方式、升温速度和保温时间等。最佳烧成，一般都是在试烧时，分别测定各种不同烧结温度下元件的收缩、密度、组织结构和电性能参数，综合比较而确定的。

一般说来，烧结温度范围较宽（±30℃）的瓷料，应在烧结的上限温度进行烧结，但保温时间不宜过长；烧结温度范围较窄（±10℃）的瓷料，则在下限温度进行烧结；并可适当延长保温时间。

（2）升温速度和保温时间

当升温速度较快（300℃/h左右）时，烧结温度就宜偏上限，保温时间不宜延长；当升温速度较慢（200℃/h左右）时，烧结温度就宜偏下限，保温时间可适当延长。

鉴于PbO在高温下易挥发，形状简单的小尺寸坯件，较快速度升温和短期保温（≤1h）。但大件且外形复杂的坯件，则应适当变慢升温速度和延长保温时间，且力求密封烧结，以使制品烧结均匀，避免失铅。

（3）降温速度和冷却方式

降温速度和冷却方式主要取决于坯件形状尺寸和烧结炉的构造。一般中小型坯件都可以采用停电随炉自然冷却的方式。形状简单的小型坯件，为了使晶粒细化，避免还原发黑，可微开炉门，通过空气冷却；也可采取抽风降温快冷方式，到850℃以下再进行随炉自然冷却。形状复杂的大型坯件，一般控制在100℃/h的降温速度冷却，以免变形开裂。

烧结工艺步骤与质量判断

4.3.1 烧结步骤

（1）烧结前准备工作

1）检查：①烧结炉发热体好坏、热电偶位置、电流电压的平衡、保温性能等炉况；

②烧结耐火配件，如坩埚与盖的完好、配合、吸铅程度，匣钵好坏程度等。

2)装埚、装钵和进炉，如图22所示。进炉应平稳轻轻推进，以免堆叠的坯体错动。

图22 装钵示意图

（2）设置烧结程序

按工艺规定的烧结条件在控温仪上设置烧结程序，通电加热烧结。

（3）定期观察、调整、记录烧结炉运行状况，并在接近最佳烧结温度和保温时间，反复检查、测定、校正温度，防止温度的偏离。

（4）保温结束以后，停电，自然冷却或按其他降温冷却方式冷却。200℃以下可出炉。

4.3.2烧结质量的判断

压电陶瓷烧结质量的判断，除了测定致密度、电性能和显微组织结构外，生产可采用更简单更直接的直观判断法。根据这种判断方法，较佳烧结质量的瓷件应具备以下特征：

①室温下颜色：均匀一致、有光泽；

②粘结现象:瓷件之间稍有粘结，但易分开；

③收缩率：约12%左右；

④墨水扩散：不渗墨水，无扩散现象；

⑤声响：敲击时有清脆的金属声；

⑥机械强度:强度高，不易被折断；

⑦断面状况：均匀、致密、无气孔、断口呈贝壳状，有光泽；

⑧在同一炉、同一埚内的瓷件，上述特征基本一致，无明显差别。

影响烧结的主要因素

（1）原料的影响

不同规格、级别的原料含不同种类和数量的杂质，不同产地、批次原料的活性也不相同，烧结条件也会产生相应的变化。

（2）锆钛比(Zr/Ti)影响

随Zr/Ti的增加，烧结温度随之增高，甚至难以烧结。

（3）添加物的影响

影响烧结的添加物主要有以下几类：

①产生A位缺陷的“软性”添加物（如La3+,Nb5+等）。利于离子扩散，烧结温度范围扩大，提高烧结速度。

②产生O空位的“硬性”添加物（如Na+,Fe3+,Sc3+等）。使晶格收缩，不利于离子扩散，较难烧结。

③小半径等价取代A位离子的取代物（如Sr2+等）。使A位松动，晶格畸变而有利于离子扩散，易于烧结。

④生成液相的添加物（如 SiO

2,Bi

2

O

3

等）。在坯体中长生液相，离子易于扩散，可

降低烧结温度。

⑤能限制晶粒长大的晶界分凝添加物（如Fe3+,Al3+,Cr3+,Ni3+等）。该类添加物一部分固溶于晶格起改性作用；一部分凝聚于晶界，限制晶粒长大，导致高密度的微晶结构，提高瓷件机电性能，特别提高机械强度。

（4）预烧温度的影响

预烧温度低时，粒度细但差别小，坯体中堆积不紧密，接触点不多，不利扩散。预烧温度高时，粒度粗，活性差，烧结动力小。另外，不适合的预烧温度将增加瓷料的游离氧化物，使PbO挥发量大，导致烧结温度增高。只有合适的预烧温度，瓷料才兼具活性和较宽的粒度分布，堆积接触点多，烧结后致密度高。所以，正确的预烧温度的选定，是获得良好烧结的一个关键因素。

（5）瓷料性质和成型密度的影响

细磨后的瓷料粒度细，活性大，烧结动力大；粒度分布较宽，成型坯件中紧密堆积、气孔少，加之坯件各部位尽可能均匀致密化，都利于烧结中离子扩散与瓷体致密度的提高与均匀一致。

（6）烧结条件的影响

固相烧结的完善程度在烧结条件中主要取决于烧结温度和保温时间。烧结温度的提高，会使离子扩散能力增强，烧结过程加速，但温度过高，会出现瓷件粘结变形、二次晶粒长大、密度下降、失铅和性能降低。温度过低、又会出现气孔率高，密度低，电性能差等现象。

保温时间是保证制品在烧结过程中各部分温度均匀一致和结晶成瓷致密化不可少的重要条件。保温时间的长短对晶粒大小和均匀程度都有一定的作用。

(7) 烧结气氛的影响

烧结气氛是指在烧结过程中炉内、坩埚内的气氛。一般气氛分氧化、还原和中性三种。其作用在于形成保护烧结环境，以控制固相反应和形成所需要的组织结构。一般来说，PZT系陶瓷元件应在氧化气氛中进行烧结，因为还原气氛将使金属氧化物金属化、变价离子还原，从而瓷件绝缘电阻降低，tgδ增大，性能劣化等。

烧结在空气中进行，即可形成氧化气氛。以硅碳棒为发热体的高温炉，一般为弱氧化气氛。这二者结合的条件下烧结，基本上可保证瓷件不会还原。配方中添加了

La

2O

3

,Bi

2

O

3

,Nb

2

O

5

,Ta

2

O

3

,Sb

2

O

3

等氧化物，烧结时更应注意氧不足的问题。烧后的制品，

经中温氧化处理后，压电性能会有明显改善。

经排塑的坯件，在湿度大的空气中存放过久，会吸附碳酸根、硝酸根、氯离子或氢氧根离子等，不利于瓷料颗粒接触，阻碍烧结。因此，应控制排塑坯件的存放条件和时间。

（8）烧结中PbO挥发的影响

PZT系陶瓷中PbO的比例大，且PbO的熔点低，烧结中易挥发，特别是高Zr/Ti配方瓷料，PbO蒸气压力加大，挥发更严重。PbO挥发会使化学计量比偏离，加大烧结成瓷难度，达不到设计的材料性能。

压电超声波换能器原理

超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。[1] 将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。磁致伸缩 磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低，使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。 镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以很少使用。 压电晶体 最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。 钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。 按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。 编辑本段外形分类

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。

(工艺技术)压电陶瓷的压电原理与制作工艺

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发展，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。

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效应，称为逆压电效应。2.2 压电陶瓷的内部结构 材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定的，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结构。 2.2.1 压电陶瓷是多晶体 用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，可以得到以下几点认识： （1）压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“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则排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。 图2 原子在空间规则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陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片 （4）整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是混乱而无规则的，如图4所示。这样的结构，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 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化 （1）晶胞结构 目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、K x Na1-x NbO3、Pb(Zr x Ti1-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（晶格中的结构单元）结构如图5所示。 图5 钙钛矿型的晶胞结构

压电陶瓷材料的制作方法

一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅2030份、二氧化锆25份、碳酸钡25份、氧化铜15份、二氧化钛13份、镍13份。本技术的成分配比合理，易加工，减少了能源消耗，提高产品质量，增强压电陶瓷性能。 权利要求书 1.一种压电陶瓷材料，其特征在于：其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅20-30份、二氧化锆2-5份、碳酸钡2-5份、氧化铜1-5份、二氧化钛1-3份、镍1-3份。 技术说明书 一种压电陶瓷材料 技术领域 本技术属于陶瓷材料领域，特别是涉及一种压电陶瓷材料。 背景技术 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物。

技术内容 本技术的目的在于提出一种压电陶瓷材料，本技术的制作工艺在坯料成型过程中避免了添加聚乙烯醇，废除了排胶过程，缩短了加工时间，减少了能源消耗，排除在锻烧结晶时的杂质渗入，提高产品质量，增强压电陶瓷性能。 本技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本技术提出的一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅20-30份、二氧化锆2-5份、碳酸钡2-5份、氧化铜1-5份、二氧化钛1-3份、镍1-3份。 本技术的成分配比合理，易加工，减少了能源消耗，提高产品质量，增强压电陶瓷性能。 上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例详细说明。 具体实施方式 实施例一： 一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅20份、二氧化锆2份、碳酸钡2份、氧化铜1份、二氧化钛1份、镍1份。 实施例二： 一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅30份、二氧化锆5份、碳酸钡5份、氧化铜5份、二氧化钛3份、镍3份。 实施例三： 一种压电陶瓷材料，其组分及各组分的质量份数为：四氧化三铅25份、二氧化锆3份、碳酸

压电陶瓷片制作工艺

工作原理 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 实际应用 压电陶瓷片，俗称蜂鸣片。 压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子表，电子仪器，电子钟表，定时器等方面。 超声波电机就是利用相关的性质制成的。 工艺 工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。 一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。 二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。 三、预烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。 四、二次细磨:目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细,为成瓷均匀性能一致打好基础。 五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。 六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。 七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

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。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的，即E S D d ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ，它表示应力与所产生的电场的关系，或应变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系： εd g = 式中ε为介电系数。在声波测井仪器中，压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数，以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时，由于压电效应和逆压电效应，机械能（或电能）中的一部分要转换成电能（或机械能）。这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示，它是

压电陶瓷加工方法

压电陶瓷加工方法 ——王翔 19920111152779 一研究压电陶瓷加工方法的意义和目的： 目前，随着现代高技术的发展，具有优良性能的压电陶瓷材料的超精密加工作为新课题己成为普遍关注的新焦点。压电陶瓷材料在电子、医疗、光学、仪器仪表、航空航天和民用等行业用来制造高技术产品的前景十分广阔。 例如，在电子行业方面，如使用较广泛的电子变压器也出现了以压电材料为原料作成的固体变压器，这种压电陶瓷变压器作为一种新型的电子变压器也逐渐发展了起来。在医用诊断方面，超声技术因为所采用的超声辐射量对人体是完全安全的，实时超声显像是一种互作用过程，能提供人体组织结构和功能的三维信息，因此得到了普遍的应用。而各种超声诊断设备的关键部件是超声换能器，也称探头。超声换能器是被用来发射和接收超声，即是因此进行电一声和声一电讯号转换的部件，它是超声诊断仪的核心部件，不可缺少的部分，整个仪器的灵敏度，分辨率和伪像干扰的大小等都与超声换能器的性能有关。探头是电一声转换的器件，大都采用压电材料经过精密加工后生产而成。因此，压电材料的能否按照设计者的意图加工出来，加工后的性能好坏，将直接影响到超声诊断仪器的性能。可以说压电材料的应用涉及到科学技术的各个领域和日常生活中，由于其特殊用途，要求有很高的加工精度和表面质量。 压电陶瓷材料虽然具有其他材料无法比拟的优越性能，但是它也有自己最显著的缺点、即脆性，表现为在外力作用下不发生显著变形即告破坏，这一严重弱点使其在实际应用中很容易造成灾难性后果，因此在一定程度上又限制了它的使用范围。除了脆性这一最大弱点外，它还存在加工极困难，很难象普通材料一样对陶瓷进行机械加工。要实现压电陶瓷所具备的优异性能，就必须加工成具有一定精度的形状和尺寸，因此，研究压电陶瓷的加工技术，特别是精密、超精密加工技术具有重大的应用价值，也有很大的现实意义。

锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验

锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验 引言： 压电陶瓷 我们将具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷，而压电效应分为正压电效应和负压电效应。 ★正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这种现象称为正压电效应，如下图所示； ★逆压电效应：当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这种现象称为逆压电效应。 注：实线代表形变前的情况； 虚线代表形变后的情况。 自从十九世纪五十年代中期，由于钙钛矿的 PZT 陶瓷具有比 BaTiO3更为优良的压电和介电性能，因而得到广泛的研究和应用。图 1-1 为 Pb(Zr x Ti 1-x )O 3体系的低温相图[1]。在居里温度以上时，立方结构的顺电相为稳定相。在居里温度以下，材料为铁电相，对于富 Ti 组分（0≤x ≤0.52）为四方相；而低 Ti 组分（0.52≤x ≤0.94）为三方相。两种晶相被一条 x=0.52 的相界线分开。在三方相区中有两种结构的三方相：高温三方相和低温三方相，这两种三方相的区别在于前者为简单三方晶胞，后者为复合三方晶胞。在靠近 PbZrO3组分（0.94≤x ≤1）的地方为反铁电区，反铁电相分别为低温斜方相和高温四方相。 正压电效应示意图

如图 1-2 所示[10]，对于四方相，自发极化方向沿着六个<100>方向中的一个方向进行，而三方相的自发极化方向沿着八个<111>方向中的一个方向进行。由于自发极化方向的不同，在不同的晶体结构中产生不同种类的电畴，在四方相中产生 180o 和 90o电畴，三方相中产生 180o、109o、71o电畴。 一、实验目的： 本实验主要是通过对具有压电性能的陶瓷材料PZT（锆钛酸铅）的制备来掌握特种陶瓷材料的整个工艺流程，并掌握一定的性能测试手段。 二、实验仪器： 电子天平、粉末压片机、箱式电阻炉、成型模具、温度控制仪、准静态d33测量仪、极化装置、阻抗分析仪等。 三、实验原理： 实验室制备PZT压电陶瓷的工艺路线为： 配方设计→PZT粉体混合研磨制备→预烧→成型→排塑→烧结→上电极→极化→性能

压电陶瓷的测试--

第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min 以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排

列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1．压电振子及其等效电路 图2.11 压电振子的等效电路 利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时，若讯号频率与器件的机械谐振频率f r一致，就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振，器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号，这种器件称为压电振子，广泛用于制作滤波器、谐振换能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图2.11来表示，它由电容C1，电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。 2．压电材料的性能测试 压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是

PZT压电陶瓷制备方法

PZT压电陶瓷制备方法 摘要：PZTR基压电陶瓷材料具有性能稳定、容易制造、价格低廉等优点，已被广泛应用于电子元器件中。但由于采用传统的高温固相法烧结铅大量挥发，从而导致化学计量比偏离、性能下降。本文介绍了压电陶瓷的几种制备方法。 关键字：；PZT陶瓷制备方法 引言：PZT压电陶瓷由于具有居里温度高、压电性强、易掺杂改性、稳定性好等特点。自20世纪60年代以来，一直是人们关注和研究的热点，在压电陶瓷领域中占主导地位。就PZT压电陶瓷的制备工艺而言，PZT粉体合成和致密化烧结对PZT制品质量影响最大。PZT超微粉体具有粒度细、比表面积大、反应活性高等优点，可降低烧结温度，减少铅挥发，保证准确的化学计量，提高PZT制品性能，因而超微PZT粉体的制备已成为PZT压电陶瓷研究的重点。 近年来对超微PZT粉体制备的研究开发了许多新的方法。固相法除传统周相法外，还包括微波辐射法、机械化学法口、反应烧结法等。液相法具有合成温度低、设备简单、易操作、成本低等优点，纷纷被用于PZT粉体的制备，如溶胶一凝胶法、水热法、沉淀法等。但对PZT压电陶瓷的制备及性能研究仍存在许多不足，主要包括：粉体团聚、化学计量及制品性能易老化等。 2、PZT陶瓷的制备方法 2.1水热法合成制备PZT压电陶瓷粉 实验原料为：Pb(Ac)2·3H20、ZrOCl2·8 H20、Ti(OC4H9)4、Na()H(均

为分析纯试剂)，全部配制成水溶液使用。按照Pb(Zr0.58Ti 0.42)O3的组成配制水热反应混合溶液。铅的成分适当过量添加。反应在NaOH 水溶液介质中进行，反应设备采用100mI。反应釜，反应温度分别设定为240摄氏度、反应时间为4 h，反应结束后用定鼍滤纸进行过滤，然后用离子交换水超声波二遍清洗，生成物在100摄氏度下干燥24 h，以备测定各种性能。采用RIGAKU公司生产的D／MAX RB型X射线粉末衍射仪分析产物的物相组成，采用JSM一5010I。V型扫描电镜观察f)z1、粉末的形貌，最后采用Gemini 2360测试仪用BET、法测定粉末的比表面积。 2.2湿声化学法制备PZT(52／48)压电陶瓷粉体 实验用原料：乙酸铅(纯度为99．5％)，钛酸丁酯(纯度为98％)，二氧化锆和柠檬酸(纯度为99．5％)．按照Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的化学计量比称量各种原料．将乙酸铅和钛酸丁酯分别溶解在去离子水和乙醇溶液中，磁力搅拌(X85—2S恒温磁力搅拌器)20 min使其均匀混合将柠檬酸水溶液缓慢倒入乙酸铅和钛酸丁酯的混合溶液中，并加入少量氨水调节其pH值以使其形成溶胶．将二氧化锆加入到溶胶中并磁力搅拌30 min，再用超声雾化设备(25 kHz，150 W，自行研制)对混合物雾化处理3次．将雾化处理后的混合物在120℃干燥10 h形成干凝胶，将干凝胶在300—800℃下煅烧(马弗炉，SX-1)一定时间后得到PZT粉体材料． 2.3溶胶一凝胶法制备PZT超细粉体 1、按Pb(Zr0.52Ti0．48)03比例称取乙酸铅、硝酸氧锆，分别溶于冰

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。

图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压

压电陶瓷性能及PZT制备工艺

压电陶瓷性能及PZT制备工艺 王幸福无机非金属材料工程 80308113 摘要: 简单综述了压电陶瓷的性能及锆钛酸铅压电陶瓷制作方法,重点分析了锆钛酸铅压电陶瓷的掺杂改性的机理和作用。以及压电陶瓷PZT未来发展的前景。 关键词: 锆钛酸铅;制作方法。 引言 锆钛酸铅一Pb(Zr，Ti)03:(PZT)是一种具有多种应用功能的钙钦矿型ABO3结构铁电材料，是由铁电相PbTiO3(Tc=490℃)和反铁电相PbZrO3(Tc=230℃)组成的固溶体。PbZrO3一PbTiO3:系固溶体(PZT)相图中，在x约为0.52一0.53附近存在一个铁电四方相(FT)和菱形相(FR)的交界区，就是我们通常称之为的准同型相界(MPB)。在PZT的MPB上具有高的压电和介电特性，具有高的的居里温度，因此受到国内外相关研究者的广泛重视，使之成为迄今为止，应用最广的压电陶瓷材料。 一、PZT压电陶瓷结构特征及特点 1.1钙钛矿结构特征 PZT 陶瓷是指锆钛酸铅( PbZr x Ti1 - xO3 , PZT)陶瓷,它是ABO3 型钙钛矿(perovs kites) 结构,Zr ,Ti 处于氧八面体的中心,Pb 处于氧八面体的间隙。单元结构如图1 所示[1]。 1.2锆钛酸铅(PZT)结构特点 PZT压电陶瓷是属于钙钦矿结构的压电晶体。向PbTIO3:中掺入Zr形成锆钛酸铅(PZT)陶瓷材料，用途广泛。Ti与Zr在结构中呈完全类质同像，但Z/rTi比值不同使材料的结构也不同，在铁电四方和三方相界附近，PZT材料具有优良的压电、介电和热电性能。锆钛酸铅固溶体相图如图1.4所示[2]，在相变温度以下，当错/钦比z/rTi=53/47时，存在一条准同型相界。准同型相界的右边(富钦一边)为四方晶相，左边(富错一边)为三方晶相。实际上，准同型相界有一定的宽度范围，在此范围内，两相共存，数量关系遵从“杠杆定理”。

压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性 压电效应具有可逆性：若在压电陶瓷片上施以音频电压，就能产生机械振动，发出声响；反之，压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。 目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感，所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。考虑到在低频下工作，仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，其外形与符号如图1所示。它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。D一般为 15~40mm，复合振动片的总厚度为h。 当压电材料—定时，谐振频率与h成正比，与(D/2)2成反比。谐振频率fo 与复合振动片的直径D呈指数关系，如图2(a)所示。显然D愈大，低频特性愈

好。压电陶瓷片作传声器使用时，工作频率约为300Hz~5kHz。压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比，由图2(b)可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。>压电陶瓷片的驱动 压电陶瓷片有两种驱动方式。第一种是自激振荡式驱动。其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。此时压电陶瓷片呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，因此亦称为电流驱动型。 第二种为他激振荡式驱动，利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于电压驱动式。其优点是音域较宽。音色较好。>压电陶瓷片的测试方法 1、电压测试法 在业余条件下，可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏，具体方法是：将万用表拨至2.5V直流电压档，左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面，右手持两支表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放在陶瓷表面上，如图1所示。然后左手拇指与食指稍用力压紧一下，随即放松，压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号，使指针先是向右捏一下，接着返回零位，又向左摆一下。摆动幅度约为0.1~0.15V。在压力相同的情况下，摆幅愈大，压电陶瓷片的灵敏度愈高。若表针不动，说明压电陶瓷片内部漏电或者破损。 交换两支表笔位置后重新试验，指针摆动顺序应为：向左摆->回零->向右摆->回零。 在意事项： ①如果用交流电压档，就观察不到指针摆动情况，这是由于所产生的电压信号变化较缓慢的缘故。 ②检查之前，首先用R×1k或R×10k档测量绝缘电阻，应为无穷大，否则证明漏电，压电陶瓷片受强烈震动而出现裂纹后，可用电烙铁在裂纹处薄薄地徐上一层焊锡，—般能继续使用。 ③检查时用力不宜过大、过猛，更不得弯折压电陶瓷片；勿使表笔头划伤陶瓷片，以免损坏片子。 ④若在压电陶片上一直加恒定的压力，由于电荷不断泄漏，指针摆动一下就会慢慢地回零。

压电陶瓷制备工艺

2.2 压电陶瓷的制备 2.2.1 样品方案设计 表2-3 （1-x）BCZT-xBiScO3各原料的配比和质量 x（mol%）BaCO3（g）CaCO3（g）TiO2（g）ZrO2（g）Bi2O3（g）Sc2O3 （g）0.2（1号）14.6952 1.3153 6.2971 1.0752 5.1027 1.5102 0.4（2号）10.7496 0.9619 4.6052 0.7895 9.9512 2.9453 0.6（3号） 6.9906 0.6269 2.9955 0.5135 14.5641 4.3105 0.8（4号） 3.4124 0.3054 1.4622 0.2507 18.9582 5.6111 要想得到理想的实验结果就必须注重实验的每一个环节，包括原料的选择和称量，确保纯度达到实验要求减少杂质对实验结果的影响。 配方原料根据实验化学式（1-x）BCZT-xBiScO3配料。根据原料纯度和配方计算出各原料的量，将所需要的原料放在烘箱内烘干，用分析天平称量。称量时应注意药勺的清洁，防止样品污染，应按照先轻后重的顺序称量，尽量极少误差。 2.2.2 混料 混料是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时各原料间充分的化学反应。操作中应小心谨慎，防止药品污染。 2.2.3 一次球磨 球磨是最常用的一种粉碎和混合装置。被粉碎的物料和球磨介质装在一个圆筒形容器球磨罐中。球磨罐旋转时，带动球撞击和研磨物料，达到粉碎的目的。球磨可以改善原料的显微特征，提高原料在微观尺度上的均匀性，有利于预烧时各原料间充分进行反应。 在球磨罐中加入适量的无水乙醇、锆球，料球比约为1:2，对原料进行机械混合。刚开始球磨时，保持转速为600-700转/分，保持几分钟之后加速，转速升至2000转/分左右时，使转速保持不变，球磨时间为4小时。 2.2.4烘干 将烘箱升温至120 ℃，将一次球磨之后的料倒入玻璃皿中，放入烘箱，保温30 min。烘干时，由于球磨使用的介质为酒精易挥发，所以烘箱门应打开，以确保安全全。球磨罐不能直接放入120 ℃的烘箱中，应等玻璃皿中的料烘干后，将烘箱的温度降至40℃时，将球磨罐放入烘箱中进行烘干。 2.2.5预压 用油压机，将烘干的料压成块状，压强为10MPa左右。预压使粉料之间的接触面接增大，在相同的条件下，更有利于固相反应的进行，同时也可以减少成分的偏析。 2.2.6预烧 预烧是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。预烧不仅可以使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成

压电陶瓷变压器基本工作原理及特点.

独石（多层）压电陶瓷变压器基本工作原理及特点 在现代，压电陶瓷 制品对我们并不陌 生。 正压电效应的应用主要用于燃气点火器，如燃气灶．燃气打火机等的点火系统。基本工作原理为：由外力压缩一个弹簧，压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花，点燃可燃气体。 逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，例如音乐贺卡、门铃．寻呼机．移动电话机振铃等。基本工作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响。 应用此特性配合机械谐振原理还大量用于制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子组件。 压电陶瓷变压器的基本构成则是将一压电蜂鸣器的应用与一压电点火器的应用组合起来，组成压电谐振子。在蜂鸣器的一端（称为驱动端）输入一个与压电变压器谐振频率一致的正弦交变电压，压电谐

振子产生振动，传导至点火器的一端（称为发电端），产生连续的正弦波电压，视乎于压电变压器的结构特征，可以是输入低电压、输出高电压（升压型），也可以是输入高电压、输出低电压（降压型）。若在高频驱动电压上通过调制解调器加入低频调制，则可实现信号传输。 压电陶瓷变压器的基本结构形式如图（一）所示 压电陶瓷是一种脆性材料，为保障其机械强度，压电变压器必须有一定的厚度，上述变压器的驱动电压就受到了相当的限制。为此独石（多层）压电陶瓷变压器项目应运而生。独石（多层）压电陶瓷变压器的基本结构形式如图（二）所示。

采用了独石（多层）结构后每一单层厚度和层数均可调，驱动电压不再受到限制，因而可以使压电变压器无论处在何种驱动电压下都能工作在最佳状态。 此项目的核心技术为亚微米低温烧结压电陶瓷材料、内电极共烧技术，极化处理技术及结构设计。 独石（多层）压电陶瓷变压器制备的工艺流程为

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用Word版

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用 摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。 关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展 引言 1880年皮埃尔?居里和雅克?居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。1894年，德国物理学家沃德马?沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。[1] 石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。 除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。 1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。如今,随着应用范围的不断扩大以及制备技术的提升,更多高性能的环保型压电材料也正在研究中。 一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理 压电效应包含正压电效应与逆压电效应，当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，而逆压电效应是把电能转换为机械能。 1.1压电效应原理