1、page 1 1 壓電陶瓷 members: 馬浩，李祥，王春陽(yáng)，王云霄，徐馬浩，李祥，王春陽(yáng)，王云霄，徐 洋洋，張鼎，楊權(quán)，趙琳，周一浩洋洋，張鼎，楊權(quán)，趙琳，周一浩 page 2 2 什么是壓電陶瓷什么是壓電陶瓷 page 3 3 什么是壓電陶瓷什么是壓電陶瓷 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受 到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。 當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種 現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電 荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方 向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去 掉后，電介

2、質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓 電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象 page 4 4 什么是壓電陶瓷什么是壓電陶瓷 壓電效應(yīng)： page 5 5 什么是壓電陶瓷什么是壓電陶瓷 壓電陶瓷，具有壓電效應(yīng)的具有材料。 是能夠?qū)C(jī)械 能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。屬于無(wú)機(jī)非金 屬材料。 page 6 6 發(fā)展歷史 1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)，從此開(kāi)始 了壓電學(xué)的歷史。 1881年，居里兄弟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，給出石英相同的正 逆壓電常數(shù)。 1894年，voigt指出，僅無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的二十種點(diǎn)群的晶體才有可 能具有壓電效應(yīng)，石英是壓電晶體的一種代表，它被取得 應(yīng)用。 第一次世界大戰(zhàn)，居里

3、的繼承人郎之萬(wàn)，最先利用石英的壓 電效應(yīng)，制成了水下超聲探測(cè)器，用于探測(cè)潛水艇，從而 揭開(kāi)了壓電應(yīng)用史篇章。 page 7 7 發(fā)展歷史 第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)了batio3陶瓷，壓電材料及其應(yīng)用 取得劃時(shí)代的進(jìn)展。 1946年美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鋇鐵電 陶瓷上施加直流高壓電場(chǎng)，使其自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向擇優(yōu) 取向，除去電場(chǎng)后仍能保持一定的剩余極化，使它具有壓 電效應(yīng)，從此誕生了壓電陶瓷。 page 8 8 發(fā)展歷史 1947年，美國(guó)roberts在batio3陶瓷上，施加高壓進(jìn)行極化處 理，獲得了壓電陶瓷的電壓性，隨后，日本積極開(kāi)展利用 batio3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換

4、能器、壓力傳感 器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應(yīng)用研究，這種研 究一直進(jìn)行到50年代中期。 1955年，美國(guó)b.jaffe等人發(fā)現(xiàn)了比batio3壓電性更優(yōu)越的 pzt壓電陶瓷，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向前推 進(jìn)了一大步。batio3時(shí)代難于實(shí)用化的一些用途，特別是 壓電陶瓷濾波器和諧振器，隨著pzt的問(wèn)世，而迅速地實(shí) 用化，應(yīng)用聲表面波（saw）的濾波器、延遲線和振蕩器 等saw器件，在七十年代后期也取得了實(shí)化。1 page 9 9 物質(zhì)組成 常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系 中添加第三種abo3(a表示二價(jià)金屬離子，b表示四價(jià)金屬 離子或幾種離子總和為正四價(jià)）型

5、化合物，如： pb(mn1/3nb2/3）o3和pb(co1/3nb2/3）o3等組成的三元系。如 果在三元系統(tǒng)上再加入第四種或更多的化合物，可組成四 元系或多元系壓電陶瓷。此外，還有一種偏鈮酸鹽系壓電 陶瓷，如偏鈮酸鉀鈉（na0.5k0.5nbo3）和偏鈮酸鍶鋇 （baxsr1-xnb2o5）等，它們不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保 護(hù)有利 page 10 10 特性 彈性常數(shù)（彈性常數(shù)（s，c） 介電常數(shù)（介電常數(shù)（ ） 壓電常數(shù)（壓電常數(shù)（d ） 壓電方程壓電方程 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)(k) 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（qm） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 諧振頻率（諧振頻率（fr） 壓電性壓電性/介電性介電

6、性/彈性彈性/鐵電性鐵電性 page 11 11 特性 壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī) 械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探 測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等。壓電陶瓷對(duì)外 力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲(chóng)拍打 翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，用它來(lái)制作壓電地震儀，能 精確地測(cè)出地震強(qiáng)度，指示出地震的方位和距離。 這不能不說(shuō)是壓電陶瓷的一大奇功。 page 12 12 特性 壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多 不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一，別小看這微小的 變化，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)壓 電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子 技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。 page

7、 13 13 特性 諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設(shè) 備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯 的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率 范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長(zhǎng)，特別是 在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電 磁設(shè)備無(wú)法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。 page 14 14 制造工藝 壓電陶瓷的制造特點(diǎn)是在直流電場(chǎng)下對(duì)鐵電陶瓷 進(jìn)行極化處理，使之具有壓電效應(yīng)。一般極化電 場(chǎng)為35kv/mm，溫度100150c，時(shí)間520min。 這三者是影響極化效果的主要因素。性能較好的 壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛系陶瓷，其機(jī)電偶合系數(shù) 可高達(dá)0.3130.694 page 15 15

8、制造工藝 一、配料：進(jìn)行料前處理，除雜去潮，然后按配方 比例稱(chēng)量各種原材料，注意少量的添加劑要放在 大料的中間。 二、混合磨細(xì)：目的是將各種原料混勻磨細(xì)，為預(yù) 燒進(jìn)行完全的固相反應(yīng)準(zhǔn)備條件.一般采取干磨或 濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取 攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。 page 16 16 制造工藝 三、預(yù) 燒：目的是在高溫下，各原料進(jìn)行固相反 應(yīng)，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會(huì)直接影響 燒結(jié)條件及最終產(chǎn)品的性能。 四、二次細(xì)磨：目的是將預(yù)燒過(guò)的壓電陶瓷粉末再 細(xì)振混勻磨細(xì)，為成瓷均勻性能一致打好基礎(chǔ) page 17 17 制造工藝 五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流動(dòng)性

9、好的 顆粒。方法可以手工進(jìn)行但效率較低，高效的方 法是采用噴霧造粒。此過(guò)程要加入粘合劑。 六、成型：目的是將制好粒的料壓結(jié)成所要求的預(yù) 制尺寸的毛坯。 page 18 18 制造工藝 七、排塑：目的是將制粒時(shí)加入的粘合劑從毛坯中 除掉。 八、燒結(jié)成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結(jié)成瓷。此 環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。 九、外形加工：將燒好的制品磨加工到所需要的 成品尺寸。 page 19 19 制造工藝 十、被電極：在要求的陶瓷表面設(shè)置上導(dǎo)電電極。 一般方法有銀層燒滲、化學(xué)沉積和真空鍍膜。 十一、高壓極化：使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列，從而 使陶瓷具有壓電性能。 十二、老化測(cè)試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)， 看是否達(dá)到

10、了預(yù)期的性能要求 分類(lèi)與應(yīng)用 超聲波超聲波 探測(cè)儀探測(cè)儀 壓電壓電 引爆器引爆器 聲音聲音 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器器 壓電壓電 點(diǎn)火器點(diǎn)火器 壓電壓電 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器 壓電陶瓷壓電陶瓷 市場(chǎng)應(yīng)用市場(chǎng)應(yīng)用 page 21 21 應(yīng)用 1、聲音轉(zhuǎn)換器聲音轉(zhuǎn)換器是最常見(jiàn)的應(yīng)用之一。 像拾音器、傳聲器、耳機(jī)、蜂鳴器、超聲波探深 儀、聲納、材料的超聲波探傷儀等都可以用壓電 陶瓷做聲音轉(zhuǎn)換器。如兒童玩具上的蜂鳴器就是 電流通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)，而發(fā) 出人耳可以聽(tīng)得到的聲音。壓電陶瓷通過(guò)電子線 路的控制，可產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，從而發(fā)出各 種不同的聲音。例如電子音樂(lè)賀卡，就是通過(guò)逆 壓電效應(yīng)把交流音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)

11、換為聲音信號(hào) page 22 22 應(yīng)用 2、壓電引爆器 自從第一次世界大戰(zhàn)中英軍發(fā)明了 坦克，并首次在法國(guó)索姆河的戰(zhàn)斗中使用而重創(chuàng) 了德軍后，坦克在多次戰(zhàn)斗中大顯身手。然而到 了20世紀(jì)六七十年代，由于反坦克武器的發(fā)明， 坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發(fā)射出的穿甲 彈接觸坦克，就會(huì)馬上爆炸，把坦克炸得粉碎。 這是因?yàn)閺楊^上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時(shí)的 強(qiáng)大機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)樗查g高電壓，爆發(fā)火花而引爆 炸藥。 page 23 23 應(yīng)用 3、壓電打火機(jī) 煤氣灶上用的一種新式電子打火機(jī)， 就是利用壓電陶瓷制成的。只要用手指壓一下打 火按鈕，打火機(jī)上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高電壓， 形成電火花而點(diǎn)燃煤氣，可以

12、長(zhǎng)久使用。所以壓 電打火機(jī)不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長(zhǎng)， 例如一種鈦鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機(jī)可使用 100萬(wàn)次以上。 page 24 24 應(yīng)用 4、防核護(hù)目鏡 核試驗(yàn)員帶上用透明壓電陶瓷做成 的護(hù)目鏡后，當(dāng)核爆炸產(chǎn)生的光輻射達(dá)到危險(xiǎn)程 度時(shí)，護(hù)目鏡里的壓電陶瓷就把它轉(zhuǎn)變成瞬時(shí)高 壓電，在1/1000 s里，能把光強(qiáng)度減弱到只有1/10000， 當(dāng)危險(xiǎn)光消失后，又能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這種 護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有幾十克重，安裝在防核護(hù) 目頭盔上攜帶十分方便。 page 25 25 應(yīng)用 5、超聲波換能器 適用于用于超聲波焊接設(shè)備以及 超聲波清洗設(shè)備，主要采用大功率發(fā)射型壓電陶 瓷制作，超聲

13、波換能器是一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化 為機(jī)械能的裝置，超聲波換能器作為能量轉(zhuǎn)換器 件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率 （即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗很少的 一部分功率 page 26 26 應(yīng)用 6、聲納 在海戰(zhàn)中，最難對(duì)付的是潛艇，它能長(zhǎng)期在 海下潛航，神不知鬼不覺(jué)地偷襲港口、艦艇，使 敵方大傷腦筋。如何尋找敵潛艇？靠眼睛不行， 用雷達(dá)也不行，因?yàn)殡姶挪ㄔ诤Ｋ飼?huì)急劇衰減， 不能有效地傳遞信號(hào)，探測(cè)潛艇靠的是聲納- -水下耳朵。壓電陶瓷就是制造聲納的材料，它發(fā) 出超聲波，遇到潛艇便反射回來(lái)，被接收后經(jīng)過(guò) 處理，就可測(cè)出敵潛艇的方位、距離等。 page 27 27 我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 中

14、科院1979年開(kāi)始致力于非鉛壓電陶瓷的研究 目前國(guó)內(nèi)壓電陶瓷市場(chǎng)上的產(chǎn)品仍以傳統(tǒng)技術(shù)和 生產(chǎn)方式進(jìn)行運(yùn)作 無(wú)鉛產(chǎn)品還未形成產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì) 無(wú)鉛化正是行業(yè)內(nèi)主要努力方向 page 28 28 發(fā)展方向 電子產(chǎn)品日電子產(chǎn)品日 益精致，要益精致，要 求元器件可求元器件可 以做的越來(lái)以做的越來(lái) 越小，小型越小，小型 化是必然方化是必然方 向。向。 小型化小型化 “環(huán)境材料環(huán)境材料” 的概念提出的概念提出 對(duì)傳統(tǒng)的壓對(duì)傳統(tǒng)的壓 電鐵電陶瓷電鐵電陶瓷 的應(yīng)用提出的應(yīng)用提出 了新的挑戰(zhàn)。了新的挑戰(zhàn)。 無(wú)鉛化無(wú)鉛化 盡快形成相盡快形成相 應(yīng)的研發(fā)、應(yīng)的研發(fā)、 生產(chǎn)、銷(xiāo)售生產(chǎn)、銷(xiāo)售 一條龍的健一條龍的健 康商業(yè)鏈條康商業(yè)鏈條 是目前首要是目前首要 任務(wù)任務(wù) 。 產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化 page 29 29 壓電陶瓷的展望 (1) pzt透明陶瓷 43 。透明鐵電陶瓷具有介電性、 鐵電性、壓電性、電光性及熱釋電性,在鐵電領(lǐng)域 中擁有重要地位,適合于多種類(lèi)型器件。 (2)低溫?zé)Y(jié)pzt瓷材料的新技術(shù)和新工藝。開(kāi)發(fā)低 溫?zé)Y(jié)pzt壓電陶瓷材料的新工藝,實(shí)現(xiàn)pzt壓電 陶瓷的低溫?zé)Y(jié),不僅能有效地保證陶瓷材料的性 能,而且可大大節(jié)約能源,有利環(huán)保 page 30 30 壓電陶瓷的展望 (3)多功能鐵電陶瓷。利用陶瓷材料的加和效應(yīng)、乘 積效應(yīng),以及不同聯(lián)結(jié)度之間的搭配可以發(fā)展多功 能新型鐵電陶瓷材料.