特种陶瓷 课件 6.3 压电陶瓷（2009.11.13）

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6.3压电陶瓷本章主要内容：1相关概念（1）极化；（2）压电效应；（3）压电陶瓷。2压电陶瓷的性能参数（1）弹性常数；（2）机械品质因素；（3）压电性、压电常数与压电方程；（4）机电耦合系数。3压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）4压电陶瓷的应用5压电超声换能器的应用与发展 1相关概念（1）极化：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷移动，造成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩。（2）压电效应：在没有对称中心的晶体上施加一个机械力（压力、张力或切向力）时，则发生与应力成比例的介质极化，在晶体表面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的大小成正比，当机械力撤去后，电荷会消失，这种现象称为正压电效应。当在晶体上施加一个外电场引起极化时，晶体会发生形变，且形变大小与电场成正比，若撤除电场，则晶体又恢复原状，这一现象称为逆压电效应。正、逆效应统称为压电效应。 （3）压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶瓷制品。人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。 2压电陶瓷的性能参数（1）弹性常数(elasticcoefficient)弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变关系的物理量。它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比。”设应力为T，加于截面积为A的压电陶瓷上（单位：N/m2），其所产生的应变为S（无量纲），则根据胡克定律，应力与应变之间有如下关系：S=sTT=cS式中s为弹性顺度常数，单位为m2/N；c为弹性劲度常数，单位为N/m2。 （2）机械品质因素(mechanicalqualityfactor)它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品质因素越大，能量的损耗越小。（3）压电性、压电常数与压电方程压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷，其所产生的电荷与施加的应力成比例。压电陶瓷的压电常数有压电应变常数、压电电压常数、压电应力常数以及压电劲度常数等。反映压电陶瓷的弹性变量（即应力、应变）和电学变量(即电场、电位移)之间的关系的方程式，称为压电方程。 （4）机电耦合系数(electromechanicalcouplingfactor)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的耦合效应。机电耦合系数可定义为：电能转变为机械能机械能转变为电能K2=-------------------------K2=----------------------------输入电能输入机械能 3压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷为例介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。压电陶瓷生产的主要工艺流程：配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→烧银→极化→测试。 （1）原料处理原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等，若纯度低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料则纯度要求相对低些。以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。 （2）预烧经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的是为了使化学反应充分进行。实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温~400℃）、固相反应（400~750℃）、收缩（750~850℃）和晶粒生长（800~900℃以上）。 （3）成型和排塑简单形状的制品通过模压法成型，不均匀截面的条形制品可以通过挤压法成型，薄板用流延法和轧膜法成型，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型。成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化）。成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。通常排塑温度800~850℃，保温时间1小时左右。 （4）烧结烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。如果超过烧结范围的上限，则由于出现过多液相，会发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。 （5）上电极烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。 （6）极化压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好的压电陶瓷电畴无规则取向，故整体不呈压电性，只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显出压电性。提高极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于极化的充分进行。 4压电陶瓷的应用压电陶瓷的压电性是居里兄弟于1880年在单晶体上发现的。1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。 1954年美国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，它使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。70年代，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为压电振子和压电换能器两个方面。前者主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。后者主要是将一种能量形式转成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。 压电陶瓷的应用领域应用领域举例电源雷达，电视显像管，高压电源，点火装置信号转换振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器发射接收超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗信号处理滤波器，放大器，振荡器，混频器传感计测加速度计，压力计，角速度计，红外探测器存贮显示电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器其它非线性元件，压电继电器等 压电陶瓷应用（一） 压电陶瓷应用（二） 5压电超声换能器的应用与发展5.1引言超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。最早的超声换能器是P.郎之万(P.Langevin)在1917年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。1933年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。到了50年代，由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能器再度兴起。 目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得了很多成就。本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。 5.2压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类很多：按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等；按压电转换方式分为发射型(电-声转换)、接收型(声-电转换)、发射-接收复合型等。 5.3压电换能器的应用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；按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等；按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。 （1）压电陶瓷变压器压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换，在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产，在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。 （2）超声马达超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。超声马达体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。 (3)超声波清洗超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反应，达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10~500kHz，一般多为20~50kHz。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。 (4)超声焊接超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。 (5)超声加工把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具相同的形状。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而达到去除材料的目的。超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动时，也可起到提高精度和效率的作用。 （6）超声减肥利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，达到减肥、塑形的目的。这是国际上90年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocchi首次将超声去脂用于临床，并获得成功，为整形、美容开创了先河。近10年来超声去脂技术在国内外得以迅速发展。（7）超声育种对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射，可提高种子的发芽率，降低霉烂率，促进种子的生长，提高植物生长速度。据资料介绍，超声波可使某些植物种子生长速度提高2~3倍。 （8）电子血压计利用压电换能器接收血管的压力，当气囊加压紧压血管时，因外加压力高于血管舒张压力，压电换能器感受不到血管的压力；而当气囊逐渐泄气，压电换能器对血管的压力随之减小到某一数值时，二者的压力达到平衡，此时压电换能器就能感受到血管的压力，该压力即为心脏的收缩压，通过放大器发出指示信号，给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。（9）遥测遥控在有毒、放射性等恶劣环境中，人们不能接近工作，需要远地控制；电视机，电风扇以及电灯等电器开关需要遥控，都可装上压电超声换能器，通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收，把声信号转变成电信号使开关动作。 (10)交通监测现代交通，自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。如交通监理站安装一个收发兼用的超声换能器及其附属设备，当车辆通过时就有一个声脉冲返回，通过计数累计可得到日行车辆的数量。给汽车尾部装一个收发两用的换能器，可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声换能器还可以监测噪声指数。(11)测距超声测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器，测量脉冲时间间隔。目前的声尺可测10m以内的距离，精度可达千分之几。 (12)检漏及气体流量检测对于压力系统，在泄漏处，由于压力容器的内外压差造成射流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统，可在密闭系统内安放一个超声源，然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有，在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。(13)机器人成像信息采集智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能，不仅要用超声换能器测距导盲，而且要成像辨识。所以，需要小型的超声换能器阵，以实现多种功能，这方面将成为一项重要的研究课题，吸引着众多的科学家为之奋斗。 5.5压电超声换能器的最新发展当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。（1）大功率换能器在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，铌镁酸铅(PMN)陶瓷是有发展前途的材料。PMN的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变，迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的，相应的物理常数取决于温度和频率，且需直流偏压，这就需要研究如何处理这些问题。在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器，在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。 （2）低压驱动换能器许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。锆钛酸铅(PZT)是广泛应用的电声转化材料。在20kHz时，PZT在400kV/m的电场中，在共振条件下产生的振幅要达到微米级，需2000V的电压，5mm厚的压电陶瓷环。在某些情况下(航空航天，便携式装置)，使用高压是一种缺陷。此时，大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时，极间距越小，所需电压也越小。 （3）高频换能器频率大于15~20MHz的B超在医疗上的应用已有十几年了，高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展。目前已经制成高达100MHz以上的高频压电陶瓷振子。高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。随着电子技术的发展，需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10亿只，而国内仅有极少数几家生产13MHz以下器件，产量约3亿只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以上的器件基木上依靠进口，市场缺口非常大。随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进，谐振频率及特性的不断提高，它将越来越广泛地取代石英晶体器件，其应用量将以每年5%~10%的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品，具有极大的推广应用前景，有良好的市场空间。 （4）压电薄膜换能器超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此，提高超声图像的分辨率己成为超声成像技术研究的方向之一。压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，用于超声成像可获得高分辨率的图像。（5）换能器的微型化装置的微型化离不开动力元件的微型化，在动力微元件中，压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的研究起始于美国，1992年麻省理工学院的Antia.M.Flynn等人研制出薄膜式微型压电超声马达。随后，日本TakeshiMorita等成功地研制了PZT压电薄膜圆柱微型超声马达。但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻，目前仍处于实验研究阶段，离工业化还有一段距离。 （6）换能器的集成化集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。电磁变压器体积大，并产生电磁噪声，而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。5.6结束语压电超声换能器是超声技术的关键部件，其应用日趋广泛。国际上对其研究十分活跃。近年来，我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视，参加研究的单位也越来越多，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与国外已很接近，甚至处于先进水平。但总的来说，与发达国家的差距仍较大，尤其是在技术的实用化和产业化方面。因此我们应根据市场需求，研究与市场相适应的应用技术，使其真正成为推动生产力发展的科技动力。