压电陶瓷变压器

压电陶瓷换能器的工作原理
压电陶瓷换能器是将电能和机械能相互转换的一种传感器，其工
作原理是基于压电效应。

压电效应是指在某些晶体材料中，在加入外
部压力或电场的作用下，会产生电荷分布的非均匀性，从而产生电荷
或电势差的现象。

压电陶瓷换能器由压电陶瓷材料制成，常用的有PZT、PMN等。

当
施加外界压力或振动时，压电陶瓷中的电荷分布发生改变，从而产生
电势差或电荷，并通过电极传递出去。

反过来，当施加电场时，也会
导致压电陶瓷中的形态发生改变，从而产生机械振动或变形。

压电陶瓷换能器的应用非常广泛，常用于物理实验、城市地震监测、声波探测、超声波成像、传感、振动控制等领域。

在声波探测中，压电陶瓷换能器可以将电信号转换为声波信号，并通过延迟线等装置
调整相位和幅度，形成声波形成。

在超声波成像中，压电陶瓷换能器
可以把电信号转化为超声波，探测病变部位的形状和大小。

同时，压电陶瓷换能器的灵敏度和响应速度非常高，可以检测到
微小的变化和振动，具有较高的精度和可靠性。

不过，压电陶瓷换能
器的应用也存在一些局限性，如工作温度范围较窄、易受到环境影响等。

总之，压电陶瓷换能器作为一种多功能的传感器，在工业、医疗、科研等领域都具有广泛的应用前景。

在实际使用中，需要结合具体的
场景和要求进行选择和优化，以提高其性能和效率。

平面变压器的应用1 概述目前，电力电子技术的应用十分广泛。

如：航空航天电源，舰载电源，雷达电源，通讯电源，电动机车-汽车电源，计算机-集成芯片电源，高频加热-照明电源，变频器，逆变器和各种AC/DC，DC/DC变换器等。

而且应用的水平和对电源性能提出的要求不断提高。

比如：高频开关电源的功率密度要求越来越高，成为当前主要研究课题。

功率磁性元件是所有电力电子装置中必不可少的关键器件，其体积和重量一般占到整个电路的20%到30%，磁性元件的损耗占到总损耗的30%左右，且磁性元件的各项参数对电路的性能影响很大。

从目前看来，磁性元件无论在研究上，还是在应用上都已成为电力电子际踅 徊椒⒄沟钠烤保 谀持殖潭壬现苯佑跋炝说缌Φ缱蛹际醯姆⒄埂Ｒ虼耍 愿咂担 吖β拭芏群吞厥馔庑谓峁沟拇判栽 难芯浚 ⑹鞘 种匾 摹１热纾捍判栽 钠矫* 旌霞苫 取?目前来看，以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小，功率密度大，将在较大功率的模块电源中发挥主要作用，成为主流产品，可在电力电子技术的领域大力推广和广泛应用，在某种程度上可以推动电力电子技术的发展。

2 平面变压器的优势平面变压器与常规变压器相比，磁芯尺寸大幅度缩小，特别是高度缩小最大。

这一特色对电源设备中在空间受到严格限制的场合下具有相当大的吸引力，从而可成为许多电源设备中首选的磁性元件。

平面变压器结构上的优势，也为它的电气特性带来了许多优点：功率密度高，效率高，漏感低，散热性好，成本低等。

详见下表：3 制造方式1、线绕式平面变压器：这种绕组方式与常规变压器的绕制方式一样，适合于高频，高压变压器的制造。

2、铜箔式平面变压器:这种方式是用铜箔作绕组，折叠成多层线圈。

适合于制造低压，大电流的变压器。

3、多层印制板式平面变压器:这种方式是用印制板的制造工艺，在多层板上形成螺旋式的线圈。

适合于制造中，小功率的变压器。

以上三种形式的平面变压器，在现有的机械设备、生产规模和工艺水平下，能很方便地制造出来。

] 压电陶瓷及其应用关健词：压电马达;;压电陶瓷;;介电性能;;压电性能[ 摘要]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、炮弹引爆装置。

用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石,可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。

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。

压电陶瓷是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。

所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时,哪怕这种压力像声波振动那样微小,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。

上世纪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。

压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,并将极其微弱的机械振动转换成电信号。

利用压电陶瓷的这一特性,可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。

如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中,成为信息时代的多面手。

在航天领域,压电陶瓷制作的压电陀螺,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。

依靠“舵”,航天器和人造卫星,才能保证其既定的方位和航线。

传统的机械陀螺,寿命短,精度差,灵敏度也低,不能很好满足航天器和卫星系统的要求。

压电陶瓷阻抗特性分析摘要：本文以压电陶瓷阻抗为研究对象，首先介绍了压电陶瓷的等效模型，然后进一步分析等效模拟的匹配及效率，对比验证推理及测试结果，推出压电陶瓷阻抗特性的关系，希望可以为有需要的人提供参考意见。

关键词：压电陶瓷、阻抗分析、阻抗匹配、效率一、压电陶瓷等效电路模型在狭窄的谐振频率范围内，压电陶瓷电路模型可以用以下电路来等效：其中，称为静态电容，称为等效电容，称为等效电感，称为等效电阻。

与晶片的尺寸、电极布置方式等有关，可以用Q表电容表在远低于其谐振频率的频率上直接测得。

串联支路上的、谐振时的频率就是串联谐振频率，在频率较低时，的容抗远大于等效电阻，对测量的值的影响可以忽略。

其总阻抗为：在、和组成的串联电路中，其阻抗特性如下图所示：和决定了压电陶瓷的串联谐振频率，其值为：在这个谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极小值，并且，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的发射体。

在时，和组成的串联电路呈感性，与并联等效电容组成并联谐振，其阻抗特性如图3所示：在这个并联谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极大值，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的接收器。

实测结果为。

综合图2和图3，可以绘出压电陶瓷在谐振频率附近的阻抗特性如图4所示：由图4可以得出，若使，换能器处于最佳发射状态，但接收效率最低。

若使,换能器处于最佳接受状态，但发射效率最低。

所以应该在和之间折中选择。

如果使用的是2的驱动频率，所以应选择标称谐振频率（即串联谐振频率）为1.9偏下为宜。

二、超声换能器阻抗匹配通过对超声换能器的研究可知，当压电陶瓷的工作频率远低于其固有频率时，压电陶瓷的电学特性等效于一个电容器，通常称此电容为静态电容，即图1中的,可通过电容表直接测得，在超声换能器工作过程中近似为常数。

超声换能器是一种机电转换元件，具有电学和机械两种端口。

在机械端是通过声学元件与声学负载相连，在电端则是通过匹配电路与超声功率源相连。

声学匹配的好坏决定换能器的技术特性和应用场合，而电匹配的优劣则直接影响超声设备的作用效果。

3.1 打火机的秘密——压电陶瓷1. 初识压电陶瓷什么是压电陶瓷呢？让我们从身边的一个例子讲起：这是一个打火机，我们只要按一下打火按钮，打火机就能点着，但你知道点火的原理吗？今天我们就来看个究竟：这是打火机的点火装置实物图和结构示意图，我们看到它里面用到了两粒柱状压电陶瓷。

当我们按压打火按钮时，弹簧会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。

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。

打火时，弹簧力施到压电陶瓷上，就产生电荷，形成高电压。

这种瞬间高压，通过电‘路中的间隙时，就会高压放电而发生电火花，从而点燃气瓶中的易燃气体（丁烷)这颗小圆柱体就是一个压电陶瓷，在这里它能在压力作用下产生电荷（或电压）。

压电陶瓷是指能在压力作用下产生电荷的陶瓷。

实际生活和工程应用中，除了这种小圆柱体的压电陶瓷外，我们会根据使用的场合，把压电陶瓷做成如片状、环状、球状，长方体状等各种各样的形状。

正压电效应压电陶瓷机械能｛电能｝逆压电效应压电效应包括正压电效应：压力（或形变）→电压和逆压电效应：电压→压力（或形变）而它们都有一个共同的特性：就是给这些材料施加压力或形变时，会在材料表面会产生电荷电压，这种现象称为“正压电效应“。

反过来在它们的某些方向施加电压，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应“。

正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

压电陶瓷是指具有压电效应的陶瓷材料。

2. 压电的基本原理为什么压电陶瓷在压力作用下能产生电荷？是不是每种材料都有压电效应呢？这个有点复杂，让我们仔细看一下：我们可以先从单晶体来看，有些单晶体不具有对称中心，如图中六边形结构，在正常状态下，三个红色表示的阳离子的电荷中心应该在它们组成的三角形的形心上，也即在六边形的中心；三个紫色表示的阴离子的电荷中心也在六边形的中心，正负电荷中心重合，这样晶体呈电中性。

《压电陶瓷换能器工作原理》
压电陶瓷换能器是一种非常重要的电子器件，广泛应用于多个领域。

压电陶瓷换能器的工作原理基于压电效应。

压电效应是指某些材料在受到机械应力作用时会产生电场，或者在受到电场作用时会发生形变的现象。

压电陶瓷就是一种具有压电效应的材料。

当对压电陶瓷施加压力时，陶瓷内部的晶体结构会发生变化，导致正负电荷分离，从而产生电场。

这个电场可以被用来驱动其他电子设备，或者作为传感器来检测压力的变化。

反之，当给压电陶瓷施加电场时，它会发生形变，产生机械振动。

这种机械振动可以被用来产生超声波、声波等各种形式的能量。

例如，在超声波清洗设备中，压电陶瓷换能器将电能转换为高频振动的机械能，使清洗液产生强烈的空化作用，从而达到清洗物体的目的。

在医疗领域，超声诊断仪中的换能器也是利用这一原理，发射和接收超声波信号，用于人体内部组织的成像。

此外，在水声通信、无损检测等领域，压电陶瓷换能器也发挥着重要作用。

总之，压电陶瓷换能器的工作原理基于压电效应，它能够实现电能与机械能的相互转换，为我们的生活和生产带来了很多便利。

压电陶瓷文献综述班级：姓名：学号：专业：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压电效应{1},压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。

压电陶瓷利用其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即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等{2}，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力。

基本释义压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。

与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒{3}。

由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的{4}。

为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向. 经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质{5}。

发展历史1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史{6}。

1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数{7}。

1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。

第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章{8}。

第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应用取得划时代的进展。

打火机压电陶瓷原理电子打火机压电陶瓷原理:一、简介1. 压电陶瓷（Piezoelectric Ceramics）是一种特殊的陶瓷，它具有一种叫做压电效应（Piezoelectric Effect）的特殊性能，即在受到外界压力时电位会发生变化，反之亦然，可以产生电能和应变。

2. 压电陶瓷是一种可以将外部的压力、振动变换成电能的机械材料，能够响应外部的机械激励，而不同的压电陶瓷元件，当相同的机械激励作用在他们外部时，会产生不同数量的电能，这是受到其特有的极化性质所决定的。

二、工作原理1. 打火机的工作原理是利用压电陶瓷作为一种受外力刺激后可变化电位的特性，其特点是在受外力刺激后产生电势，出现电流。

2. 打火机内部主要由压电陶瓷、射频变压器、弧光二极管、电源等组成。

其工作原理是在外力的刺激作用下，压电陶瓷发生静电极化，有场驻留在内部，此时，压电陶瓷上升到绝缘介质（如空气层）的电位比地下高，在高压射频变压器发出一个射频电流穿过压电陶瓷，此时压电陶瓷就会有变电耦合，产生极大的瞬间电电势，并不断累积，达到火花的产生的电位(约3.0KV)，当电位达到一定的值时，火花产生，穿过弧光二极管进行火花放电，形成打火机的火花。

三、优点1. 压电陶瓷元件的质量轻，受外界刺激的电位变化很快，可以将机械能转换成电能。

2. 工作效率高，噪音小，介质变化不易，线路连接简单，不容易发生故障。

3. 能量传递效率高，特征定常，对环境温度和湿度有较高的适应性，同时拥有防潮、耐热性能。

4. 结构紧凑，尺寸小，可在电路系统中，构造核心组件，使发射更快和更稳定，有效防止因电池极性反过来造成发射电流弱。

四、应用领域1. 压电陶瓷的应用范围很广，主要用于航空、船舶、电子、火药、舵机等行业。

2. 压电陶瓷用于防潮保护，可以防止水分、油性和非油性的潮湿、湿汽的进入。

3. 压电陶瓷也可以用于非常见的振动测量，可以用来测量和检测超声、电磁、输出等信号。

4. 压电陶瓷也是一种非常好的力学传感器，可以检测地震、地壳运动等环境变化对应的振动信号和声音信号。

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、PbZr 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 3PT ：四方相 立方相BaTiO 3BT ：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Ti 4+沿c 轴上移,O 2-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℃① c 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<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,虚线代表形变后晶粒中形成一定的小区排列状态—畴结构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：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Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+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Pb3O4、ZrO2、TiO2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11i ii n iii 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；1n ii 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 1i i i iw 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211G 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℃反应B ：625—800℃反应C ：800℃以上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1Q、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/cm3范围,以保证坯体密度均匀地达到-5.7gcm3;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PV A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PV A水溶液,配方简单,成本低,但存放期短10天以内;⑨PV A：甘油：酒精：蒸馏水=15：7：3：75wt%;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PV A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PV A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PV A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Ti2O3,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PV A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PV A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PV A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PV A粘合剂的分解特性,控制排塑气氛PV A粘合剂加热分解及氧不足情况下对PZT作用的反应式有：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。

压电瓷及其应用一. 概述压电瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与瓷的生产工艺相似〔原料粉碎、成型、高温烧结〕因而得名。

*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，从而在晶体外表出现正负束缚电荷，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*温度围不仅具有自发极化，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*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——压电瓷，并获得广泛应用。

1947年美国用BaTiO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透明压电瓷，使压电瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电瓷的应用，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，有不少材料已到达或接近国际水平。

二. 压电瓷压电性的物理机制压电瓷是一种多晶体，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。