陶瓷材料论文压电陶瓷

智能陶瓷材料——压电陶瓷段涛2009107204摘要：陶瓷材料分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。

特殊材料中的智能材料是指能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流变陶瓷。

前言：陶瓷材料是国民经济和人民生活中不可缺少的重要组成部分。

随着科学技术的不断发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。

陶瓷材料分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。

由于陶瓷具有优良的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、以及高强度和高硬度等优点，因此在国防、机械、冶金、化工、建筑、电子、生物等领域得到了广泛的应用。

智能陶瓷是指能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流变陶瓷。

这里我想研究的是压电陶瓷的情况。

正文：所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，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。

这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控等功能。

在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。

电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。

用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。

压电陶瓷材料的发现：某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞了压电陶瓷。

几种常见的功能陶瓷内容摘要功能陶瓷是一类在光、电、力、声、化学、生物等方面具有特殊功能性质的材料，由于其众多方面的功能，故功能陶瓷种类繁多，应用广泛。

本文首先详细的对两种常见的功能陶瓷---压电陶瓷、生物陶瓷作了介绍，总结分析了他们的发展历史和现状并预测了他们未来的发展趋势。

随着压电陶瓷组分的改变，机电耦合系数、机械品质因数、弹性系数、压电常数等一系列参数有了重大改善，未来压电陶瓷将朝着复合型、高居里、无铅化几个方向发展，势必成为一种具备优良性能且环保的优秀功能材料。

生物陶瓷具有良好的生物可容性、无毒性、且性能稳定，广泛应用在医学治疗的许多环节，举例介绍了三大类生物惰性、活性、可降解陶瓷，其未来发展趋势是“活的”、复合型、多孔的、纳米级的等等，是绝对优于金属及有机材料的无毒害的功能材料。

之后对其他功能陶瓷的功能与应用做了简要介绍，如超导陶瓷、磁性陶瓷、敏感陶瓷、化学陶瓷。

【关键词】功能陶瓷压电陶瓷生物陶瓷发展历史及现状未来趋势Several Common Functional CeramicsAbstractFunctional ceramics is a kind of material, which has optical,electrical, mechanical, acoustic, chemical and biological propeties. Because of it’s various function, functional ceramics is classified into many categories. This paper firstly introuduces two common functional ceramics－piezoceramics and bioceramics, mainly summrizes their development and research status, then outlines the development prospects. With the change of piezoceramics’ composition, a series of parameters such as electro-mechanical coupling factor, mechanical quality factor, coefficent of elasticity and piezoelectric constant have been significantly improved. The future trend of piezoceramics is composite, high T c and lead-free. The biological ceramics has good biological adaptability, avirulence, and stable property ,so it has widespread application in medical treament, the paper simply introduces three kinds—inert ceramics,active ceramics and degradable ceramics. Bioceramics’ future development trend is “live”, composite, porous, nano-level etc.It is a kind of material without posion, which is much better than metals and organic materials. At last, the article gives a brief introduction of other functional ceramics such as superconducting cramics, magnetic ceramics, sensitive ceramics and chemical ceramics.【Key words】Functional ceramics Piezoelectric ceramics Biological ceramics Development and research status Prospects目录一、前言 (1)二、正文 (1)（一）压电陶瓷 (1)（二）生物陶瓷.....................................................（错误！未定义书签。

压电陶瓷的新能源背景及意义摘要：在社会经济迅速发展当今时代，随着压电陶瓷应用领域的不断扩大，压电陶瓷作为一种精密驱动器件其自身的性能日益受到使用者的关注。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。

其所具有的压电效应是当某些材料受到机械力而产生拉伸或压缩时，其内部产生极化现象，使材料相对的两个表面出现等量异号电荷的现象，外力越大，则表面电荷就越多，这种效应一般称做正压电效应。

表面电荷的符号视外力的方向而定。

具有这种效应的材料称之为压电材料。

关键词：压电陶瓷；新能源；新材料一、压电陶瓷的研究背景在电力应用之初，人们对电能的消耗并不大，即使在特拉斯倡导将直流供电转化为交流供电后，用电人群的范围逐渐加大，人们也还没有意识到化石燃料燃烧带来的一些后果，只是充满着对电力这种新能源应用前景的希望和兴奋。

但是随着技术的进步，和人类人口的爆炸式增长，整个人类社会的用电需求大量增长，尤其是许多国家将工业化作为目标之后，工厂的大量出现大大加大了对电能的消耗。

发电厂也随着人类对电力需求的增大而不断新建，这时人们才开始意识到化石燃料燃烧的副作用。

化石燃料作为不可再生能源，按照现在的消耗速度，迟早有一天会消耗殆尽，而已经习惯用电的人类社会，是无法承担由于无法供应化石燃料而造成无法发电的后果的。

另外，化石燃料的利用效率不高，在其燃烧过程中会排出大量的二氧化碳等温室气体和二氧化硫，一氧化碳等有毒气体，造成的温室效应加剧很可能危害整个人类的生存。

化石燃料燃烧产生的大量粉尘，也给空气带来了巨大的污染，造成了雾霾等一系列不良的空气状况。

除了在能源方面的担心以外，随着技术的进步，人们对于设备运行的精度越来越高，纯手工的操作已经很难满足现代生产的精度要求。

所以人们急切需要能够自动控制的电子产品，通过精确的计算代替人类操作设备，从而达到高精度的生产要求。

控制电路的一项重要组成部分就是各式各样的传感器。

他们将实际生产过程中产生的各种信号转变为要求的信号形式反馈给计算机系统，从而让计算机对目前设备的整体情况做出判断，进行相应的计算和控制操作。

压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。

它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。

因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。

本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。

首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。

压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。

他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。

这被称为正压电效应。

而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。

接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。

压电陶瓷具有几个主要的特性。

首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。

这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。

其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。

它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。

此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。

这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。

压电陶瓷具有广泛的应用领域。

其中一个主要应用是在传感器领域。

压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。

这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。

另一个主要应用是在换能器领域。

压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。

这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。

此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。

总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。

它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。

压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。

它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。

希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。

学校代码： 1 1 0 5 9学号：0803011017Hefei University毕业论文BACH ELOR DISSERTATION论文题目：压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3制备及性能研究学位类别：工学学士学科专业：粉体材料科学与工程作者姓名：王正导师姓名：尹奇异完成时间：2012年6月压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3的制备及性能研究中文摘要压电陶瓷能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性。

近几年关于压电陶瓷的研究越来越受人们的关注，同时也发现了它的许多优越性，但是也存在缺陷，比如含铅压电陶瓷中就含有对环境有污染的铅，而环境是人类生存和发展的基础，因此，保护环境，发展环境协调型材料及制备技术，是二十一世纪材料科学发展的必然趋势。

因此本文利用了传统的固相烧结法研究了Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3无铅压电陶瓷，并且对其性能以及一些常数进行了测定，譬如压电系数d33，介电常数εr，介电损耗tanδ，机械品质因数Q m，机电耦合系数K p，频率常数N，居里温度T，弹性系数。

通过测定得到结论：烧结温度T=1120℃，掺杂量x=0.06时，样品的压电常数为d33=115pC/N，机电耦合系数为K p=0.205，机械品质因数为Q m=73，介电常数为值εr=701，介电损耗为tanδ=0.385可以制得压电性能和铁电性能良好的压电陶瓷。

关键词：无铅压电陶瓷；烧结温度；固相法；压电性能；铁电性能AbstractThe piezoelectric ceramic to adaptive environmental changes to achieve the mutual conversion between mechanical energy and power, has a set of sensing, execution and control in one unique property. In recent years, more and more research about the piezoelectric ceramic is attention, and found that many of its superiority, but there are defects, such as lead piezoelectric ceramic containing lead pollution on the environment, and environmental is the basis of human survival and development, therefore, protecting the environment, developing environment, coordination of materials and preparation techniques, is the inevitable trend of development of materials science of the twenty-first century.In this paper, the traditional solid-phase sintering of the Na0.515K0.5 (Nb1-x Sb x) O3 lead free piezoelectric ceramics, and its performance as well as some of the constants were determined, such as piezoelectric coefficient d33of the dielectric constant εr and dielectric loss tanδ, the mechanical quality factor of Q m, electromechanical coupling factor K p frequency constant N, Curie temperature T, the coefficient of elasticity. Conclusion: By measuring the sintering temperature is 1120 ℃, the doping level x is 0.06, the piezoelectric constant of the sample for 115pC / N, electromechanical coupling coefficient is 0.205, mechanical quality factor is 73, the dielectric constant value is 701, dielectric loss tanδis 0.385, it can be obtained good piezoelectric properties and ferroelectric properties of piezoelectric ceramics.Key words：Lead-free piezoelectric ceramics; sintering temperature; solid-phase method; piezoelectric properties; ferroelectric properties目录第1章前言 (1)1.1 功能陶瓷 (1)1.1.1 功能陶瓷的定义 (1)1.1.2 功能陶瓷的发展 (1)1.2 压电陶瓷 (2)1.2.1 压电陶瓷的概念 (2)1.2.2 压电陶瓷的分类 (3)1.2.3 压电效应 (3)1.2.4 压电陶瓷的发展历史 (5)1.2.5 压电陶瓷的表征参数 (6)1.2.6 压电陶瓷的应用 (10)1.3 无铅压电陶瓷 (16)1.3.1 无铅压电陶瓷的定义 (16)1.3.2 无铅压电陶瓷的体系 (16)1.4 选题依据及研究内容 (16)第2章陶瓷制备工艺 (18)2.1 无铅压电陶瓷的制备工艺 (18)2.1.1 实验主要原料及设备 (18)2.1.2 实验步骤 (18)2.2 测试性能前的准备 (20)第3章压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3的性能研究 (22)3.1 温度、掺杂量对压电性能的影响 (22)3.1.1 温度、掺杂量对压电常数的影响 (22)3.1.2 温度、掺杂量对机电耦合系数的影响 (23)3.1.3 温度、掺杂量对机械品质因数的影响 (23)3.2 温度、掺杂量对介电性能的影响 (24)3.2.1 温度、掺杂量对介电常数的影响 (24)3.2.2 温度、掺杂量对介电损耗的影响 (25)3.3 压电陶瓷Na0.515K0.5(Nb1-x Sb x)O3的铁电性能 (25)3.4 SEM分析 (27)第4章实验总结 (28)4.1 实验结论 (28)4.2 试验中存在的不足 (28)参考文献 (29)致谢 (32)第1章前言1.1功能陶瓷1.1.1功能陶瓷的定义功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的陶瓷材料。

压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。

随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。

因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。

压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。

其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。

1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。

正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。

1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。

当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。

但实际是有损耗的。

有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。

论压电效应原理及在陶瓷材料方面的应用内容摘要: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。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是信息时代的新型材料压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。

关键词:压电效应、正压电效应、逆压电效应、原理、应用、陶瓷材料、压电陶瓷、铁电陶瓷、功能陶瓷、新型材料、电极化。

在信息与科技迅速发展的时代，压电效应的原理无论是在科研方面还是在人们的日常生活中都有广泛的应用。

所谓压电效应的原理就是如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)。

具体的而言正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

而逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。

用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。

压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。

压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。

例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应而压电陶瓷实际上就是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。

压电陶瓷具有将外力转换成电能的特性，并且压电陶瓷具有敏感的特性。

压电陶瓷材料
压电陶瓷材料是一种能够产生压电效应的陶瓷材料。

压电效应是指当压电材料受到外界压力或拉力时能够产生电荷分离，从而形成电压差。

压电陶瓷材料具有稳定性好、能耗低、响应速度快等优点，因此在许多领域有着广泛的应用。

首先，压电陶瓷材料在传感器和控制装置中有着重要的应用。

由于压电陶瓷材料能够将机械能转换为电能，因此它可以作为传感器来检测物体的压力或力量。

例如，在工业机械中，压电陶瓷材料可作为加速度传感器，通过检测机械振动来判断设备的运行状况。

此外，在医学领域，压电陶瓷材料可用于心脏和肌肉等生物组织的压力测量。

其次，压电陶瓷材料还可以应用于声波和超声波技术中。

压电陶瓷材料能够产生声波和超声波，并且具有高频率和高能量的特点，因此适用于超声波清洗装置、医学超声波成像设备等。

此外，压电陶瓷材料还可以用作声纳探测装置，如潜艇和鱼群探测。

此外，压电陶瓷材料在振动控制和能量收集方面也有着广泛的应用。

由于压电陶瓷材料具有压力和拉力之间的相互转换能力，它可以用于振动控制装置中，通过施加适当的电压来调节振动的幅度和频率。

此外，压电陶瓷材料还可以用于能量收集装置中，通过收集周围的振动能量并转化为电能储存起来，从而实现能源的可持续利用。

总之，压电陶瓷材料是一种应用广泛的材料，它在传感器、声
波和超声波技术、振动控制和能量收集等领域都有着重要的作用。

随着科技的不断发展，压电陶瓷材料的应用也在不断拓展，相信它将在未来的科技领域中发挥更为重要的作用。