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
己酸、蒸馏水中。溶液浓度分别配制成0．5mol／L、lmol／L、2mol ／L、4mol／L、5mol／L。
2将乙酸铅的冰乙酸溶液逐滴滴人硝酸氧锆溶液中，出现白色沉
淀，加入少量硝酸澄清。
3 向以上混合液中逐滴滴加丁醇钛液体，出现微黄色沉淀。再加
入少量硝酸澄清。配制溶液的过程在磁力搅拌器上进行。
4待混合液澄清后，将溶液温度控制在90℃，加入适量的乙酰丙
酮和乙二醇，搅拌数小时，形成浅黄色透明溶胶。
5将溶胶放入60摄氏度水浴静置数小时实现溶胶．凝胶的转变。
6将凝胶置于120摄氏度烘箱中，缓慢挥发流动部分的水分，得到干胶粉。
7粉末研磨后在马弗炉中于分别于600℃、650℃、700℃下酌烧
三小时。
8产物经研磨、造粒、压片后采用PbZr03埋片法分别于900"0、1000℃、1100℃下进行烧结4小时。
利用丹东奥龙有限公司Y-2000型x射线衍射仪，得到样品的晶体结构；利用日本JEOL公司生产的JXA-840型扫描电镜观察前驱体粒子的形貌和大小。差热分析仪采用的是上海精密科学仪器有限公司的高温综合热分析仪ZPY--2P型。
2.4快速均匀沉淀法制备PZT 压电陶瓷超细粉体
本实验以乙酸铅[Pb （CH3COO)2 .3H2O].氧氯化锆[ZrOCl2 .8 H2O] 和钛酸丁酯[Ti(OC4H9)4 ]为前驱物,氨水作沉淀剂,聚乙二醇作表面
活性剂,用改进的沉淀法技术制备PZT 压电陶瓷超细粉体,确定最佳的制备工艺条件.[ZrOCl2 .8 H2O]和[Pb(C3COO)2 .3 H2 O]分别溶解在水中,配制成相应的0 .1 mol/L 的溶液,因[Ti(OC4H9 )4 ]极易水解产生沉淀,为了避免沉淀的产生而将其溶解在无水乙醇中. 三种溶液按照Pb:Zr :Ti =100 :95 :5 (摩尔比)混合,充分搅拌使体系分布均匀,然后将混合液倒入pH= 9 的含聚乙二醇的冷氨水（预冷到-5摄氏度）中，同时强烈搅拌若干分钟，静置一段时间后再离心分离并用去离子水多次洗涤，直到用A gNO3溶液检验不含Cl - 为止.再经9 0摄氏度，干燥研磨后得到的沉淀粉末分别在400 .500 .600 摄氏度和1 .5 、2 .0 、3 .0 h 下热处理，最后自然冷却至室温
用X 射线衍射仪分析粉体试样的物相组成，扫描电子显微镜观察粉体的形貌和晶粒大小.
PZT压电陶瓷的应用
压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料。极化后的压电陶瓷在机械力的作用下产生形变时，会在与极化方向相对的两个表面出现等量异号的束缚电荷，电荷面密度与旌加作用力大小成正比。这种没有外电场作用，仅由于介质形变而产生的极化称为正压电效应这种特性被称为压电性。置于外电场中的压电陶瓷能够产生几何形变、把电能转变为机械能，这种现象称为逆压电效应
。凡是具有正压电效应的晶体也一定具有逆压电效应。利用压电效应或逆压电效应，或同时利用正、逆压电效应，压电陶瓷已经被广泛应用于高压点火装置、位移传感器、加速器、制动器、谐振器、滤波
器、水声换能器和压电变压器等电子元器件中。
参考文献：
【1】水热法合成制备PZT压电陶瓷粉
【2】湿声化学法制备PZT(52／48)压电陶瓷粉体
【3】溶胶-凝胶法制备PZT及Mn掺杂PZT-PZN体系压电陶瓷的研究
【4】PZT压电陶瓷制备工艺及性能研究
【5】PZT压电陶瓷制备中的几个问题
【6】快速均匀沉淀法制备PZT 压电陶瓷超细粉体
压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
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
Electrorheological 电流变 电流变液 (Electrorheological Fluids)是一种智能流体，通常是由高介电常数的微米量级颗粒分散于低介电常数的绝缘油中而形成的悬浮液。 microfluids 微流体 Mechanisms 机制，机械Dynamics 动力，动力学 Induced polarization 感应激发极化rheological 流变学的，液流学的effective dielectric constant 有效介电常数 insulating 绝缘的 在他们研发后的近六十年时间里，电流变液体已经成为具有日益增长的科研魅力和实践重要性的材料。这个评论追溯到机械装置，是由于这些液体的电流变反应和他们伴随的理论基础。尤其是，电流变液体被分为了两个不同类型，非传导性的电流变和 PZT（锆钛酸铅）piezoelectric ceramic transducer 是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构。PbTiO3和PbZrO3是铁电体和反铁电体的典型代表，因为Zr和Ti属于同一副族，PbTiO3和PbZrO3具有相似的空间点阵形式，但两者的宏观特性却有很大的差异，钛酸铅为铁电体，其居里温度为492℃，而锆酸铅却是反铁电体，居里温度为232℃，如此大的差异引起了人们的广泛关注。研究PbTiO3和PbZrO3的固溶体后发现PZT具有比其它铁电体更优良的压电和介电性能，PZT以及掺杂的PZT系列铁电陶瓷成为近些年研究的焦点 PZT压电陶瓷是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体。具有正压电效应和负压电效应。 具有体积小，重量轻，精度和分辨率高，频率高，出力大等优点 目前从环境保护的角度来讲，PZT已经被禁用了 现代压电陶瓷材料正在向着复合化，薄膜化，无铅化和纳米化方向发展 压电陶瓷在人们生活中的很多方面具有重要的应用，但是目前全球在大量使用的压电陶瓷材料仍是传统的含铅压电陶瓷，其中铅元素高达60%以上。氧化铅是一种易挥发的有毒物质，
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
压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （4）机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。
m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。
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。
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
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
压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。
Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。
Δ响应时间快 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 . 压电材料PZT 压电常数(Piezoelectric Constant)是压电体把机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转换系数。它反映压电材料弹性（机械）性能与介电性能之间的耦合关系。选择不同的自变量（或者说测量时选用不同的边界条件），可以得到四组压电常数d、g、e、h，其中较常用的是压电常数d。其中压电常数d33是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般陶瓷的压电常数越高，压电性能越好。下标中的第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。当沿极化方向（Z 轴）施加压应力T3时，在电极面A3上产生的电荷密度σ3 ＝ d33T3。在MKSQ 制中，电位移D3 ＝σ3，则 D3 ＝ d33T3 同理，沿X轴和Y轴分别施加机械应力T1和T2，在电极面A3上所产生的电位移为：D3 ＝ d31T1，D3 ＝ d32T2。若晶体同时受到T1，T2和T3的作用，电位移和应力关系为： D3 ＝ d31T1＋d32T2＋d33T3 对于用来产生运动式振动的材料来说，希望具有大的压电常数d。 压电材料的种类和应用 压电材料有三种：压电晶体，压电陶瓷，有机压电材料。 压电晶体最有代表性的就是石英晶体，绝缘好，机械强度大，居里点高，但压电系数小，所以只用作校准用的标准传感器，或是要求精度很高的传感器。压电陶瓷应用范围很广，灵敏度好，但相对石英晶体则机械强度低，居里点底。有机压电材料通常都是高分子材料构成的，压电系数高，灵敏度高，多用于医学等高精尖科学。 压电材料在压力传感器的应用 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，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。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。压电压力传感器是利用压电原理制成的。 整理版本 化学化工学院材料化学专业实验报告实验实验名称：压电陶瓷材料钛酸钡的制备 年级:材料化学日期：2013-9-26 一、预习部分 1、前言 电子陶瓷用钛酸钡粉体超细粉体技术是当今高科技材料领域方兴未艾的新兴产业之一。由于其具有的高科技含量，粉体细化后产生的材料功能的特异性，使之成为新技术革命的基础产业。钛酸钡粉体是电子陶瓷元器件的重要基础原料，高纯超细钛酸钡粉体主要用于介质陶瓷、敏感陶瓷的制造，其中的多层陶瓷电容器、PTC热敏电阻器件与我们的日常生活密切相关，如PTC热敏电阻在冰箱启动器、彩电消磁器、程控电话机、节能灯、加热器等领域有着广泛的应用；MLC多层陶瓷电容在大规模集成电路方面应用广泛。 钛酸钡(BaTiO3)是最早发现的一种具有ABO3型钙钛矿晶体结构的典型铁电体,它具有高介电常数,低的介质损耗及铁电,压电和正温度系数效应等优异的电学性能,被广泛应用于制备高介陶瓷电容器,多层陶瓷电容器,PTC热敏电阻,动态随机存储器,谐振器,超声探测器,温控传感器等,被誉为"电子陶瓷工业的支柱". 近年来,随着电子工业的发展,对陶瓷元件提出了高精度,高可靠性,小型化的要求. 为了制造高质量的陶瓷元件,关键之一就是要实现粉末原料的超细,高纯和粒径分布均匀. 研究可以制备粒径可控, 粒径分布窄及分散性好的钛酸钡粉体材料的方法且能够大量生产成为了一个研究热点. 2 钛酸钡粉体的制备工艺 2.1 固相合成法 固相法是钛酸钡粉体的传统制备方法，典型的工艺是将等量碳酸钡和二氧化钛混合，在1 500℃温度下反应24h，反应式为：Ba CO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑。该法工艺简单，设备可靠。但由于是在高温下完成固相间的扩散传质，故所得BaTiO3粉体粒径比较大(微米)，必须再次进行球磨。高温煅烧能耗较大，化学成分不均匀，影响烧结陶瓷的性能，团聚现象严重，较难得到纯BaTiO3晶相，粉体纯度低，原料成本较高。一般只用于制作技术性能要求较低的产品。 2.2化学沉淀法 2.2.1 直接沉淀法在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂，控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应生成陶瓷粉体沉淀物团。如将Ba(OC3H7)2和Ti(OC5H11)4溶于异丙醇中，加水分解产物可得沉淀的BaTiO3粉体。该法工艺简单，在常压下进行，不需高温，反应条件温和，易控制，原料成本低，但容易引入BaCO3、TiO2等杂质，且粒度分布宽，需进行后处理。 2.2.2 草酸盐共沉淀法将精制的TiCl4和BaCl2的水溶液混合，在一定条件下以一定速度滴加到草酸溶液中，同时加入表面活性剂，不断搅拌即得到BaTiO3的前驱体草酸氧钛钡沉淀 BaTiO(C2O4)4·4H2O(BTO)。该沉淀物经陈化、过滤、洗涤、干燥和煅烧，可得到化学计量的烧结良好的BaTiO3微粒： TiCl4+BaCl2+2H2C2O4+4H2O→BaTiO(C2O4)2·4H2O↓+6HCl， BaTiO(C2O4)2·4H2O→BaTiO3+4H2O+2CO2↑+2CO↑。 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”。 压电陶瓷材料是具有机电转换效应的一类功能材料，这种材料能够实现机械能与电能的相互转换，在机械，电子。医疗，通讯，精密控制，国防军工等很多领域中应用广泛。粉末颗粒的特性包括粒度，粒度分布，颗粒形状，孔隙度，Z 电势数值和比表面积等。对于陶瓷材料制备而言，粉体的粒度及其分布状况关系到原煤料的加工时间，坯体的致密度大小，烧成温度的高低等问题，对制品的质量和性能起着极重要的作用。制备方法则采用： 1）传统固相法：将所需元素的氧化物，碳酸盐或硝酸盐通过球磨混合均匀，经过煅烧使这些盐类发生分解与固相反应，从而生成所需化学成分和晶相的陶瓷粉体。 工艺优点：技术成熟，工艺简单,成本低廉 工艺缺点：颗粒较粗，活性较差，化学均匀性较差，易团聚。 2) 水热合成法：把常温常压下溶液中不容易进行的反应，通过将物系置于高温高压条件下来加速反应的进行 工艺优点：低温下即可获得较纯粉体，晶粒发育良好，粒度分布均匀。 工艺缺点：晶化时间过长，不利于连续生产。 3）溶胶-凝胶法：将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）溶解在某种溶剂中并使之与水发生反应而逐渐胶化，凝胶经干燥和高温处理制得所需的粉体材料。 工艺优点：化学均匀性好，粉体颗粒细且尺寸分布窄，设备简单。 工艺缺点：前驱体材料价格昂贵，有机溶剂对人体有害，制粉工艺较复杂。 粉体粒度测试方法： a) 激光法：当光束照射到气体或液体里的细颗粒时，光将向各个方向散射，并在颗粒背后产生瞬间阴影。照射光有部份被颗粒吸收，部分产生衍射。光的散射和衍射与颗粒的粒度有一定的关系。 优点：分析速度快，操作简单方便，分析检测范围广。 缺点：不宜测量粒度分布很窄的样品，分辨率相对较低。 b) 沉降法：颗粒的沉降速度与颗粒的大小有关，大颗粒的沉降速度快，小颗粒的沉降速度慢，因此只要测量颗粒的沉降速度，就可以得到反映颗粒大小的粒度分布。 优点：原理直观，分辨率较高，价格及运行成本低。 缺点：测量速度慢，不能处理不同密度的混合物，受环境和人为因素影响较大。 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 压电陶瓷制备与测试实验报告 一、实验要求 1、了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。 2、了解压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。 3、掌握压电陶瓷材料压电、介电性能等性能测试方法。 4、掌握压电陶瓷的性能分析方法。 二、压电陶瓷材料制备过程 主要包括以下步骤：配料-混合-预烧-粉碎-成型-排胶-烧结-被电极-极化-测试。 1、配料：Bi2O3···14.1244113464136 Sc2O3···4.13930659262249 PbO·23.339070300907 TiO2·8.39721176005696 2、原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行修正计算，然后进行原料的称量。按化学配比配料以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。 3、混合球磨后的原料进行预烧。预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。将预烧反应后的材料使用行星式球磨机粉碎。 4、成型的方法主要有四种；轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3％左右。成型以后需要排胶。粘合剂的作用只是利于成型， 但它是一种还原性强的物质，成型后应将其排出以免影响烧结质量。 5、烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。晶粒尺寸是借助于原子扩散来实现的。 6、烧结后的样品要被电极，可选用的电极材料有银、铜、金．铂等，形成电极层的方法有真空蒸发、化学沉积等多种。压电陶瓷中广泛采用的是，在烧结后的样品涂上银浆，在空气中烧制电极。为了防止空气在高压下电离、击穿，极化一般是在硅油中进行。为了获得优良的压电性能，需要选择合适的电场强度，适当的极化温度。极化样品放置24小时后，用压电常数测量仪测量d33，用高频阻抗分析仪(Agilent4294A等)测量介电常数、介电损耗、谐振频率等 三、实验内容 利用d33测试仪及Agilent 4294A阻抗分析仪测试压电陶瓷片的各项性能，得如下表格： 然后根据Agilent 4294A阻抗分析仪测得的数据，通过公式计算得到如下两图 压电陶瓷的压电原理与制作工艺压电陶瓷的用途 随着高新技术的持续进展，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。压电陶瓷的要紧应用领域举例如表1所示。 表1压电陶瓷的要紧应用领域举例 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了的，因而要了解压电陶瓷的压电原理，明白压电效应产生的缘故，第一必须明白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，能够得到以下几点认识：。 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 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 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 整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是纷乱而无规则的，如图4所示。如此的结构，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 晶胞结构 目前应用最的广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-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 压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是时有所变化的。如下式及图6所示。 PbTiO3（PT ）：四方相 立方相 BaTiO3（BT ）：三角相 正交相 四方相 立方相 图6 钛酸钡晶胞结构随温度的转变 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，不显现电极化；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，显现了平行于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，因此成为自发极化，其相变温度TC 称为居里温度。 压电陶瓷的电畴 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）。下面以的钙钛矿型结构从立方相变到四方相为例，讲明电畴的形成。 c 轴方向决定自发极化取向 490℃ ℃ 5℃ 120℃ 压电陶瓷是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，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。 1880年法国人居里兄弟发现了"压电效应"。 1942年，第一个压电陶瓷材料--钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。 1947年，钛酸钡拾音器--第一个压电陶瓷器件诞生了。 50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。 从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。 80年代后期至今，人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料，在此基础上有成功研制出驰豫铁电体单晶材料，为三维超声波成像奠定了基础。目前，人们将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上已取得新的突破。 g ε d g k 居里点℃ 水晶（石英） 4.5 2.3 53 10 1200 罗息盐200 165 93 54 40 钛酸钡1700 190 12 45 120 锆钛酸铅2100 410 22 65 300 从表中可看到，锆钛酸铅材料是当前性能较好应用最广的材料，通过改性，性能还可进一步改善，能够用于制作各种压电器件。上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb (Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系Ｐb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。 近年来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。目前，世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷，以保护环境和追求健康，预计2008后形成产业化生产。 利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用Word版
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