压电陶瓷的压电原理及制作工艺

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1、压电陶瓷压电原理、应用与制作工艺湖北大学材料科学与工程学院压电陶瓷技术研究所周桃生内容压电陶瓷的用途压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的制作工艺配料预烧混合和粉碎成型与排塑烧结极化压电陶瓷的压电原理压电现象与压电效应压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷点火示意图气体喷嘴高压引线压电振子磷铜片压电振子外壳叩击机构压电蜂鸣器压电陶瓷的压电原理压电现象与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。节点支承边缘支承中心支承压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)压电陶瓷的压电原理压电陶瓷由小晶粒无规则镶嵌成，如图所示。BSPT压电陶瓷断面SEM照片压电陶瓷的

2、压电原理压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)陶瓷显微结构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。原子在空间排列成晶格示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)每个小晶粒内还具有铁电畴。PZT陶瓷中电畴结构显微照片压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。晶粒的晶格取向示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构(压电陶瓷是多晶体)钙钛矿型的晶胞结构压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构(压电陶瓷的晶胞)压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。钛酸

3、钡晶胞结构随温度的转变压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。BT中自发极化产生示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（晶胞与自发极化）c轴方向决定自发极化取向能量最低原则决定畴结构晶粒中形成一定的小区排列状态—畴结构晶胞自发极化取向一致小区的存在自发极化取向不一致小区的搭配晶格匹配要求能量最低要求③相结构决定畴壁类型压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴形成）压电陶瓷的压电原理因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两个畴中自发

4、极化方向只能成90°角或180°角，相应电畴交界面就分别称为90°畴壁和180°畴壁。四方相晶体90°畴壁和180畴示意图压电陶瓷内部结构（电畴形成）电畴在外电场作用下的运动a）极化前（b）极化过程（c）极化后压电陶瓷在极化中电畴变化示意图压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴的运动）在交变电场作用下，因电畴与自发极化的运动，压电陶瓷可观察到电滞回线，即具有铁电性。图中，PS为自发极化强度，Pr为剩余极化强度，EC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EC。压电陶瓷的压电原理压电陶瓷内部结构（电畴与电滞回线）第一次极化以后的极化压电效应的再理解瓷片内

5、束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图压电陶瓷的压电原理正压电效应示意图瓷片压缩，极化强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现放电现象。F撤除，瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现象，称为正压电效应。压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解逆压电效应示意图在瓷片上施加与极化方向相同电场。极化强度增大，瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形变。这种由电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。压电陶瓷的压电原理压电效应的再理解作为介电材料，可用介电系数ε，介电损耗tgδ，绝缘电阻率ρ和抗电强度Eb等表征。压电陶瓷的主要参数作为压电材料，还必须补充一

6、些参数：压电系数d、g机电耦合系数k机械品质因素Qm频率系数N压电系数d：单位机械应力T所产生的电位移D反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系压电陶瓷的主要参数常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。d=D/T（C/N）（m/V）或：单位电场强度V/x所产生的应变△x/x压电电压系数g：单位应力T所产生的电场强度E；或单位电荷所产生的形变。（V·m/N）压电陶瓷的主要参数d和g在不同的角度反映了材料的压电性能，d用得较为普遍，g常用于接收型换能器、拾音器，高压发生器等场合。机电耦合系数k或压电陶瓷

7、的主要参数kp是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。它与材料的压电系数、ε和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而k总是小于1的。不同材料的k值不同；同种材料由于振动方式不同，k值也不同。常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数k33、以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数kp（或称径向机电耦合系数kr）。压电陶瓷的主要参数Z振动方向Y条状振子K31（横向耦机电合系数）X极化方