《先进陶瓷材料及进展》 第8章 铁电压电陶瓷.ppt

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1、第八章铁电压电陶瓷8.1压电陶瓷重点掌握的几个概念：压电效应预极化准同型相界软性取代硬性取代石英晶体压电模型(a)不受力时；(b)x轴方向受力；(c)y轴方向受力当外力F=0时，压电陶瓷表面存在一层表面电荷，其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等，符号与束缚电荷相反，因而晶体对外不显示电性。在外力F的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电性——压电效应。在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同，则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生了形变——逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短；若加上交变电

2、场，则晶体产生振动。晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。所有铁电单晶都具有压电效应。对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使ΣP=0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极化处理，使ΣP≠0，才能对外显示压电效应。陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。(a)极化前电致伸长(b)预极化后E剩余伸长(c)预极化后撤出外场陶瓷的预极化示意图压电材料分类：压电单晶压电陶瓷压电聚合物压电复合材料压电陶瓷的晶体结构：1.钙钛矿结构2.钨青铜型结构3.铌酸锂型结构4.铋层状

3、结构1.钙钛矿结构ABO3：A：＋1,＋2,＋3Na＋，K＋，Ba2+，La3+B：＋5,＋4,＋3Nb5+,Ti4+，Fe3+2.钨青铜型结构[BO6]氧八面体以顶角相连构成骨架。B离子为Nb、Ta、W等。[BO6]骨架间存在三种空隙：A1（较大）、A2（最大）、C（最小）氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为B1和B2填满型与非填满型。钨青铜结构在（001)面上的投影3.铌酸锂型结构顺电相铁电相氧八面体以共面形式重叠Li位于氧八面体的公共面Nb位于氧八面体中心极化时，Li,Nb偏离中心位置，沿c轴出现电偶极矩4.铋层状结构Bi4Ti3O12铅基压电

4、陶瓷1.单元系2.二元系3.三元系单元系PbTiO3钙钛矿结构铁电体，Tc高，480℃。各向异性大（c/a＝1.063），晶界能高，难以制备致密、机械强度高的陶瓷。矫顽场强较大，预极化困难。提高极化温度有利于极化，但抗电强度下降，易击穿。掺入少量稀土、NiO、MnO2等，可促进烧结。晶粒大小与机电耦合系数k有关。BaTiO3系与PbTiO3系压电陶瓷自从1842~1843年之间美、日、苏联学者各自独立发现BaTiO3中存在异常的介电现象，1847年又发现预极化后的BaTiO3陶瓷的压电性能，并制成压电元件用于拾音器、换能器；二战期间，BaTiO3成功用于

5、水声及电声换能器、通讯滤波器上，在很长的一段时间内，BaTiO3陶瓷是主要的压电陶瓷材料，但目前其作用范围在不断缩小。PbNb2O6钨青铜结构Tc高（570℃）压电系数的各向异性大，d33/d31≈10机械品质因素特别低（Q≈11）主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等铅基二元系压电陶瓷人们在1853年起开始试制成功PbZrO3-PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷，其各项压电性能和温度稳定性等均大大优于BaTiO3、PbTiO3压电陶瓷，因此得到了广泛的应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。下面主要介绍二元系压电陶瓷PZT系陶瓷。PbZrO3-PbTi

6、O3系陶瓷的相结构PbZrO3和PbTiO3的结构特点比较：PbZrO3PbTiO3结构钙钛矿结构钙钛矿结构Tc(立方顺电)230℃（正交晶系）480℃类别反铁电体铁电体1(1.063)>Tc立方顺电相PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。PZT瓷的掺杂改性:为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+,Ti4+离子，从而改

7、进材料的性能。a.等价A位取代等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+等二价离子取代Pb2+，结果使PZT瓷的ε↑，KP↑，d↑，从而提高PZT瓷的压电性能。b.软性取代改性（高价缺位取代）所谓“软”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC↓，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。软性取代采用La3+、Bi3+、Sb3+等取代A位Pb2+离子或Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子。经取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：c.硬性取代改性（低价取代）硬性取代采用K+，Na+取代A位的Pb2+离子，Fe2+、Co2+、Mn2

8、+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Ga3+、I