压电陶瓷的压电原理与制作工艺VIP专享VIP免费

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。表1压电陶瓷的主要应用领域举例应用领域举例一电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置二信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源三信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件四发射与接收超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等五信号处理滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等放大器声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导声表面波传输线六传感与计测加速度计压力计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等角速度计测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺红外探测计监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器七存贮调制用于电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关等存贮光信息存贮器，光记忆器显示铁电显示器，声光显示器，组页器等八其它非线性元件压电继电器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1BSPT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（2）[（3）]每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。图3PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片（3）[（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490℃-90℃5℃120℃图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7BT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TC称为居里温度。（3）压电陶瓷的电畴1）电畴的形成压电...