壓電陶瓷基本知識(shí)概要

1、壓電陶瓷基本知識(shí)概要壓電陶瓷的基本知識(shí)壓電陶瓷的基本知識(shí)發(fā)展歷史發(fā)展歷史壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展前景與方向市場(chǎng)發(fā)展前景與方向 壓電陶瓷是什么？壓電陶瓷是什么？ 壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體。因生產(chǎn)工藝和陶瓷相近而得名。各種規(guī)格的壓電陶瓷片各種規(guī)格的壓電陶瓷片晶粒的晶格取向示意圖晶粒的晶格取向示意圖 整體看來(lái)，整體看來(lái)，晶粒與晶粒的晶晶粒與晶粒的晶格方向不一定相格方向不一定相同，排列是無(wú)規(guī)同，排列是無(wú)規(guī)則的。這樣的結(jié)則的。這樣的結(jié)構(gòu)稱其為構(gòu)稱其為多晶體多晶體。發(fā)展歷史發(fā)展歷史居里兄弟居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)

2、電氣石的壓電效首先發(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。應(yīng)，從此開(kāi)始了壓電學(xué)的歷史。居里兄弟居里兄弟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，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)。給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。發(fā)展歷史發(fā)展歷史發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了BaTiO3壓電陶瓷上的高介電壓電陶瓷上的高介電常數(shù)和鐵電性、壓電性。后續(xù)解決了常數(shù)和鐵電性、壓電性。后續(xù)解決了極化問(wèn)題。極化問(wèn)題。美國(guó)日本先后美國(guó)日本先后利用利用BaTiO3壓電陶壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器等的應(yīng)用研究。力傳感器、濾波器等的應(yīng)用研究。發(fā)展歷史發(fā)展歷史美國(guó)美國(guó)B.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了鋯鈦

3、酸鉛等人發(fā)現(xiàn)了鋯鈦酸鉛(PZT)具有非常強(qiáng)和穩(wěn)定的壓電性，具有非常強(qiáng)和穩(wěn)定的壓電性，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向前推進(jìn)了一大步。前推進(jìn)了一大步。壓電陶瓷的應(yīng)用，上至宇宙開(kāi)發(fā)，下壓電陶瓷的應(yīng)用，上至宇宙開(kāi)發(fā)，下至家庭生活極其廣泛。至家庭生活極其廣泛。 為了保護(hù)地球和人類(lèi)的生存空間，防為了保護(hù)地球和人類(lèi)的生存空間，防止環(huán)境的污染止環(huán)境的污染，非鉛壓電陶瓷成為未，非鉛壓電陶瓷成為未來(lái)研究和應(yīng)用的方向。來(lái)研究和應(yīng)用的方向。壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念三三個(gè)個(gè)重重要要概概念念1、自發(fā)極化、自發(fā)極化 120以下，BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)稍有畸變，為四方結(jié)構(gòu)，Ba2+

4、和Ti4+相對(duì)于O2-產(chǎn)生了一個(gè)位移，結(jié)果導(dǎo)致正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生了極化（自發(fā)極化），通常把這種轉(zhuǎn)變溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)（Tc）。壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念三三個(gè)個(gè)重重要要概概念念 鐵電晶體中存在著自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，那些自發(fā)極化方向相同的區(qū)域稱為電疇（黑色粗線為疇壁）。 對(duì)于自發(fā)極化而言，從宏觀統(tǒng)計(jì)來(lái)看，晶體中存在著各個(gè)方向的自發(fā)極化，它們相互抵消，宏觀上對(duì)外不呈現(xiàn)極性。壓電陶瓷基本概念壓電陶瓷基本概念三三個(gè)個(gè)重重要要概概念念 2、人工極化、人工極化 人工極化就是在壓電陶瓷上加一足夠高的直流電場(chǎng)，并保持一定的溫度和時(shí)間，迫使其電疇轉(zhuǎn)向，或者說(shuō)迫使其自發(fā)極化作定向排列。

5、下圖示意陶瓷中電疇在極化處理前后的變化情況。壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念三三個(gè)個(gè)重重要要概概念念3、鐵電陶瓷、鐵電陶瓷 某些材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化。而且其自發(fā)極化可以因外電場(chǎng)的作用而轉(zhuǎn)向，材料的這種特性稱為鐵電性。具有這種特性的陶瓷材料稱為鐵電陶瓷.Ps單個(gè)電疇的極化強(qiáng)度；Pr剩余極化強(qiáng)度；Ec矯頑電場(chǎng)。壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的原理：壓電效應(yīng)壓電陶瓷的原理：壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念壓電效應(yīng)的本質(zhì)壓電效

6、應(yīng)的本質(zhì) 極化方向 電場(chǎng)方向 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F逆壓電效應(yīng)示意圖正壓電效應(yīng)本質(zhì)：機(jī)械作用引起介質(zhì)極化。逆壓電效應(yīng)的本質(zhì)：電場(chǎng)作用引起介質(zhì)極化。壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念 氣體噴嘴氣體噴嘴高高壓壓引引線線壓壓電電振振子子磷磷銅銅片片壓壓電電振振子子外外殼殼叩叩擊擊機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電陶瓷點(diǎn)火示意圖壓電陶瓷點(diǎn)火示意圖壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念 節(jié)點(diǎn)支承節(jié)點(diǎn)支承邊緣支承邊緣支承中心支承中心支承逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電蜂鳴器工作示意圖壓電蜂鳴器工作示意圖壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理與

7、石英晶體大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強(qiáng)度會(huì)使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個(gè)表面吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，并使整個(gè)壓電陶瓷片呈電中性。 圖圖5 束縛電荷和自由電荷排列示意圖束縛電荷和自由電荷排列示意圖 自由電荷自由電荷自由電荷自由電荷電極電極束縛電荷束縛電荷壓電陶瓷的基本概念壓電陶瓷的基本概念 并非所有的陶瓷都具有壓電效應(yīng)。作為壓電陶瓷的原材料，在晶體結(jié)構(gòu)上一定是不具有對(duì)稱中心的晶體，如氧化鉛、氧化鋯、氧化鈦、碳酸鋇、氧化鈮、氧化鎂、氧化鋅等。 在32種點(diǎn)群的晶體中，只有2

8、0種非中心對(duì)稱點(diǎn)群的晶體才有壓電效應(yīng)。 將這些原材料在高溫下致密燒結(jié)，制成陶瓷，并將制好的陶瓷在直流高壓電場(chǎng)下進(jìn)行極化處理，才能成為壓電陶瓷。 常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛以及三元系壓電陶瓷等。石英晶體和壓電陶瓷的比較石英晶體和壓電陶瓷的比較 石英晶體：石英晶體：一種單晶體，本身具有壓電效應(yīng)，居里點(diǎn)溫度高（高達(dá)573），穩(wěn)定性好，精度高(精度可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后六位數(shù))，無(wú)熱釋電現(xiàn)象，工藝簡(jiǎn)單。但壓電常數(shù)小，成本高（相同的頻點(diǎn)，石英要高410倍以上）。 壓電陶瓷：壓電陶瓷：一種多晶體，需要極化后才具有壓電效應(yīng)，壓電常數(shù)大，成本低。但居里點(diǎn)溫度低(120360)，精度低(精度只能滿足到小

9、數(shù)點(diǎn)后三位),制作工藝較為復(fù)雜，穩(wěn)定性不如石英晶體，有熱釋電現(xiàn)象，會(huì)給傳感器帶來(lái)熱干擾。 兩者都只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在內(nèi)部無(wú)漏損或外接負(fù)載RL趨于無(wú)窮大時(shí)，其受力后產(chǎn)生的電荷才能保持，這實(shí)際上是不可能的。只有外力不斷變化或高頻作用下，電荷才能得以補(bǔ)充，因此從這個(gè)意義上講，壓電晶體不適合靜態(tài)測(cè)量。壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電常數(shù)壓電常數(shù)d d介電常數(shù)介電常數(shù)介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗tantan機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K Kp p機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m頻率常數(shù)頻率常數(shù)N N壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電常數(shù)壓電常

10、數(shù)d d 壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。其數(shù)值的大小直接表征了壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱。當(dāng)沿壓電陶瓷的極化方向施加壓應(yīng)力T時(shí)，在電極面上就產(chǎn)生電荷D，則有以下關(guān)系式：D= dT式中d單位為庫(kù)侖/牛頓（C/ N） 這正是正壓電效應(yīng)。還有一個(gè)逆壓電效應(yīng)，既施加電場(chǎng)E時(shí)成比例地產(chǎn)生應(yīng)變S，其所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)榕蛎洖槭湛s取決于樣品的極化方向。 S= dE式中，d的單位為米/伏（m/v）。壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù) 對(duì)于正和逆壓電效應(yīng)來(lái)講，d在數(shù)值上是相同的，即有關(guān)系： 對(duì)于企圖用來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)（例如，聲納和超聲換能器）的材料來(lái)說(shuō)，希望具有大的

11、壓電應(yīng)變常數(shù)d。 常用的為橫向壓電系數(shù)d31和縱向壓電系數(shù)d33（腳標(biāo)第一位數(shù)字表示壓電陶瓷的極化方向；第二位數(shù)字表示機(jī)械振動(dòng)方向）。電荷靈敏度Kq和電壓靈敏度Ku分別為：CamdKumdKqmaFCaKuKqCaUaqa結(jié)論：靈敏度與壓電系數(shù)d成正比，與質(zhì)量m成正比。增加質(zhì)量：影響被測(cè)體振動(dòng)狀態(tài)aUKuaqKqaa壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù) 介電常數(shù)是反映材料的介電性質(zhì)，或極化性質(zhì)的，通常用來(lái)表示。不同用途的壓電陶瓷元器件對(duì)壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如，壓電陶瓷揚(yáng)聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大，而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。 介電常

12、數(shù)與壓電元件的電容C，電極面積A和電極間距離t之間的關(guān)系為：=Ct/A 有時(shí)使用相對(duì)介電常數(shù) ，它與絕對(duì)介電常數(shù)之間的關(guān)系為 =/o 式中，o為真空（或自由空間）的介電常數(shù)，o=8.8510-12（F/m），而 則無(wú)單位，是一個(gè)數(shù)值。33t33t33t壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗tantan 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由于電極化弛豫過(guò)程和漏導(dǎo)等原因在電介質(zhì)內(nèi)所損耗的能量。 理想電介質(zhì)在正弦交變電場(chǎng)作用下流過(guò)的電流比電壓相位超前90 ，但在壓電陶瓷中因有能量損耗，電流超前的相位角小于90 ，它的余角 (+=90 )稱為損耗角，它是一個(gè)無(wú)因次的物理量，人們通常用損耗角正切

13、tan來(lái)表示介質(zhì)損耗的大小，它表示了電介質(zhì)的有功功率（損失功率）P與無(wú)功功率Q之比。即： 電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe（electrical quality factor）電學(xué)品質(zhì)因數(shù)的值等于損耗角正切值的倒數(shù)，用Qe表示，它是一個(gè)無(wú)因次的物理量。若用并聯(lián)等效電路表示交變電場(chǎng)中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tan=CR壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K Kp p 機(jī)電耦合系數(shù)K是一個(gè)綜合反映壓電陶瓷的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總電能得的機(jī)械能通過(guò)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總機(jī)械能得

14、的電能通過(guò)正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K或或 壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。如對(duì)薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）；薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31（橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33（縱向耦合系數(shù)）等。壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m 壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。Qm越大，能量消耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的定義式

15、是：耗的機(jī)械能每一諧振周期振子所消能諧振時(shí)振子儲(chǔ)存的機(jī)械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時(shí)的最小阻抗為諧振頻率時(shí)的最小阻抗Zmin（諧振電阻）（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容壓電陶瓷的主要性能參數(shù)壓電陶瓷的主要性能參數(shù)頻率常數(shù)頻率常數(shù)N N 對(duì)某一壓電振子，其諧振頻率和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度的乘積為一個(gè)常數(shù)，即頻率常數(shù)頻率常數(shù)。N=frl 其中：其中：f fr r為壓電振子的諧振頻率；為壓電振子的諧振頻率；

16、l l為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。薄圓片徑向振動(dòng) Np=frD D為圓片的直徑薄板厚度伸縮振動(dòng) Nt=frt t為薄板的厚度細(xì)長(zhǎng)棒K33振動(dòng) N33=frl l為棒的長(zhǎng)度薄板切變K15振動(dòng) N15=frlt lt為薄板的厚度 壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制作過(guò)程主要步驟壓電陶瓷的制作過(guò)程主要步驟老老化化測(cè)測(cè)試試極極化化上上電電極極配配料料預(yù)預(yù)處處理理預(yù)預(yù)燒燒造造粒粒成成型型燒燒成成機(jī)機(jī)加加工工壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝配料（原料的選擇和處理）配料（原料的選擇和處理） 原料是制備壓電陶瓷的基礎(chǔ)。對(duì)于PZT來(lái)說(shuō)它的主要原料為Pb3O4、ZrO2、

17、TiO2。選擇原料一般應(yīng)注意其化學(xué)組成和物理狀態(tài)。 (1) 原料的純度原料的純度 對(duì)純度的要求應(yīng)適度。高純?cè)?，價(jià)格昂貴，燒結(jié)溫度高，溫區(qū)窄。純度稍低的原料，其中有的雜質(zhì)可起礦化和助熔的作用，反而使燒結(jié)溫度降低，溫區(qū)增寬。但過(guò)低純度原料雜質(zhì)較多，不宜采用。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝配料（原料的選擇和處理）配料（原料的選擇和處理） (2)雜質(zhì)的利用雜質(zhì)的利用 1)雜質(zhì)的類(lèi)型有害雜質(zhì) 對(duì)材料絕緣、介電性等影響極大的雜質(zhì)，特別是異價(jià)離子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。有利雜質(zhì) 與材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)離子電價(jià)相同、半徑接近，能形成置換固溶的雜質(zhì)。如Ca2+、

18、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等離子，一般在%范圍內(nèi)，壞的影響不大，甚至有利。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝配料（原料的選擇和處理）配料（原料的選擇和處理） 2)摻雜的改性 在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分別占重量比的60%、20%和18%左右，若雜質(zhì)多，引入雜質(zhì)總量也多。因此，要求雜質(zhì)總含量均不超過(guò)2%，即要求純度均在98%以上。 為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的PZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來(lái)取代A位的Pb2+離子或B位的Zr4+,Ti4+離子，從而改進(jìn)材料的性能。其它取代改性硬性取代改性軟性取代改性異價(jià)取代等價(jià)

19、取代摻雜改性PZT壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝 所謂等價(jià)取代等價(jià)取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等半徑較 Pb2+ 離子小的二價(jià)離子取代Pb2+ 離子，結(jié)果使PZT陶瓷的介電常數(shù)增大，機(jī)電耦合系數(shù)KP增大,壓電常數(shù)d增大 ,從而提高PZT瓷的壓電性能。 易價(jià)取代：易價(jià)取代：軟性取代改性、硬性取代改性、其他 所謂“軟性取代改性軟性取代改性”是指在原料中加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)EC 減小 ，極化容易，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“軟”。(燒成后的瓷體成黃色燒成后的瓷體成黃色)（a）La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb+2離子(施主摻雜)；（b）Nb5+、Ta5+

20、、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子(施主摻雜)。 經(jīng)軟性取代改性后的PZT瓷性能有如下變化： 矯頑場(chǎng)強(qiáng)EC 減小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm減?。唤殡姵?shù)增加，介電損耗tan增加,機(jī)電耦合系數(shù)KP增加, 抗老化性增加 ，絕緣電阻率增加。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝 所謂“硬性取代改性硬性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)EC 增加，極化變難，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“硬”。(燒成后的瓷體成黑色燒成后的瓷體成黑色)（a） K+，Na+等取代A位Pb+2離子（受主摻雜）；（b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、A

21、l3+、Cr3+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子(受主摻雜)。 經(jīng)軟性取代改性后的PZT瓷性能有如下變化： 矯頑場(chǎng)強(qiáng)EC增加，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm增加；介電常數(shù)減小，介電損耗tan減小,機(jī)電耦合系數(shù)KP減小, 抗老化性降低 ，絕緣電阻率減小 。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝預(yù)處理（混合和粉碎）預(yù)處理（混合和粉碎） 混合混合是將稱量好的原料混合均勻、相互接觸，以利于預(yù)燒時(shí)充分的化學(xué)反應(yīng)。 粉碎粉碎是將原料進(jìn)行細(xì)化，達(dá)到一定的平均粒度和粒度分布，為預(yù)燒創(chuàng)造有利條件。 1) 1)工藝方法工藝方法 使用球磨機(jī)(滾筒式、行星式、攪拌式和振動(dòng)式等球磨機(jī))，加磨球(鋼球、瑪瑙球、鋯球等)與介質(zhì)(水、酒精

22、等)，對(duì)原料進(jìn)行機(jī)械混合或粉碎。 2)2)工藝原理工藝原理 磨球靠電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生離心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循環(huán)翻動(dòng)和自轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，使介于其中的粉料受到?jīng)_擊和摩擦研磨，從而達(dá)到混合與粉碎細(xì)化。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝預(yù)燒預(yù)燒( (合成合成) ) 預(yù)燒是通過(guò)原料中原子或離子之間在加熱作用下的擴(kuò)散來(lái)完成固相化學(xué)反應(yīng)，生成瓷料瓷料的過(guò)程。 （1）預(yù)燒的目的預(yù)燒的目的 1）使各原料的固相化學(xué)反應(yīng)充分均勻，生成組成固定的固溶體，形成主晶相。 2）排除原料中的二氧化碳和水分等，減小坯體的燒成收縮、變形，以便于控制產(chǎn)品外形尺寸。（2）預(yù)燒的過(guò)程預(yù)燒的過(guò)程 500600：未反應(yīng) 600

23、700：PbO+TiO2 PbTiO3 (630630時(shí)時(shí)PbPb3 3O O4 4分解為分解為PbO)PbO) 700750：PbTiO3+PbO+TiO2 Pb(Zr1-XTiX)O3 750800：PbTiO3+ Pb(Zr1-XTiX)O3 Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝造粒造粒 造粒是將合成后的瓷料粉碎后混合粘結(jié)劑(聚乙烯醇PVA)后，制成流動(dòng)性好的顆粒。把這種顆粒稱為粒料，以示區(qū)別。 常用的造粒方法常用的造粒方法 普通手工造粒法 操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度大，適用實(shí)驗(yàn)室。 加壓造粒法 產(chǎn)量少，效率低，適用實(shí)驗(yàn)室及中批量生產(chǎn) 噴霧干燥造粒法 制造的顆粒為球狀、流動(dòng)性

24、好、質(zhì)量好、且產(chǎn)量大、連續(xù)生產(chǎn)、效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小和條件得到改善。宜于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備成本高。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝成型成型 成型就是將粒料壓制成所需要的形狀規(guī)格的坯體，并為燒結(jié)創(chuàng)造條件。 坯體成型的方式和方法很多，如干壓成型法、可塑成型法和漿料成型法等，干壓成型目前被廣泛采用。 干壓成型干壓成型是將經(jīng)過(guò)造粒的粒料裝入一定形狀的鋼模內(nèi)，借助于模塞，在一定外力下壓制成坯體。 干壓成型原理干壓成型原理：在外力作用下，粒料顆粒在模具內(nèi)相互靠近，并借助內(nèi)部作用力牢固地把各顆粒聯(lián)系起來(lái)，成為保持一定形狀的坯體。 干壓成型的效果取決于干壓的壓力，粒料的流動(dòng)性，模具的平整性。壓電陶瓷的制造工

25、藝壓電陶瓷的制造工藝燒成（排膠和燒結(jié)）燒成（排膠和燒結(jié)） 排膠排膠 成型坯體中粘合劑是一種高分子化合物，含碳多，碳在氧氣不足時(shí)燃燒產(chǎn)生還原性很強(qiáng)的一氧化碳。一氧化碳奪取PZT中的氧而形成二氧化碳，使金屬氧化物還原為導(dǎo)電的金屬(如Pb)和半導(dǎo)體性質(zhì)的低價(jià)氧化物(如Ti2O3)影響陶瓷的顏色、成瓷性、燒銀、極化和最終性能。所以，在燒結(jié)前，必須對(duì)坯體進(jìn)行排膠。 工藝工藝 將坯體裝入透氣性好的耐火槽板中，推入氧氛好的排塑爐內(nèi)，按一定加熱制度排塑。典型例如下： 升溫速度：0450，50/h；450750，150/h 最高溫度：750（600前，微開(kāi)爐門(mén)，600關(guān)爐門(mén)） 保溫時(shí)間：1h 冷卻方式：關(guān)電源隨

26、爐冷卻。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝燒成（排膠和燒結(jié)）燒成（排膠和燒結(jié)） 燒結(jié)燒結(jié)是利用熱能使坯體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芴沾傻墓に囘^(guò)程。不同燒結(jié)階段晶粒排列過(guò)程不同燒結(jié)階段晶粒排列過(guò)程初期階段（顆粒結(jié)合階段，初期階段（顆粒結(jié)合階段，1050以前）以前）中期階段（晶粒生長(zhǎng)階段，中期階段（晶粒生長(zhǎng)階段，10501200）最終階段（晶粒校正階段，最終階段（晶粒校正階段，1200最佳燒結(jié)溫度）最佳燒結(jié)溫度）壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝上電極上電極 上電極上電極就是在壓電陶瓷的表面上設(shè)置導(dǎo)電電極，使用的材料主要為Cu、Ag、 Ni 、Au等。 使用的工藝方法為燒滲、化學(xué)沉積、真空鍍膜等。 上電極的目

27、的就是為了導(dǎo)通和后續(xù)極化。 上電極的最終成效主要主要由兩個(gè)因素決定：金屬表面的可焊性和金屬層的附著性。壓電陶瓷的制造工藝壓電陶瓷的制造工藝極化極化 極化的目的極化的目的是為了使鐵電陶瓷的鐵電疇在外直場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向定向排列，顯示極性與壓電效應(yīng)。 極化的條件：極化的條件：極化電壓、溫度、時(shí)間。 極化電壓大小(KV)取決于壓電陶瓷的矯頑場(chǎng)EC。一般為EC的2-3倍。一般來(lái)說(shuō)電壓越高極化就越充分。 在極化電場(chǎng)和極化時(shí)間一定的條件下，極化溫度高，電疇取向排列較易，利于極化。 極化時(shí)間越長(zhǎng)，電疇轉(zhuǎn)向排列充分，并有利于極化過(guò)程中應(yīng)力的弛豫。 確定極化條件應(yīng)以兼顧壓電性能，提高成品率和節(jié)省時(shí)間為原則。不

28、同成分材料，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化出最佳極化條件。實(shí)用中通過(guò)壓電性能來(lái)判定極化效果。 極化的方法：極化的方法：硅油極化和空氣極化。壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用分類(lèi)分類(lèi) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電能，如點(diǎn)火裝電能，如點(diǎn)火裝置，拾音器等，置，拾音器等，是機(jī)電換能器是機(jī)電換能器 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 主要用于壓電主要用于壓電蜂鳴器，如音蜂鳴器，如音樂(lè)賀卡、門(mén)鈴樂(lè)賀卡、門(mén)鈴和揚(yáng)聲器等和揚(yáng)聲器等 壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域舉舉 例例電源電源壓電變壓器壓電變壓器雷達(dá)，電視顯像管，陰極射線管，蓋克技術(shù)雷達(dá)，電視顯像管，陰極射線管，蓋克技術(shù)管，激光管和電子復(fù)制機(jī)等

29、高壓電源和壓電管，激光管和電子復(fù)制機(jī)等高壓電源和壓電點(diǎn)火裝置點(diǎn)火裝置信號(hào)源信號(hào)源標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源振蕩器，壓電音叉，壓電音片等用作精密儀振蕩器，壓電音叉，壓電音片等用作精密儀器中的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源器中的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換換電聲換能器電聲換能器拾聲器，送話器，受話器，揚(yáng)聲器，蜂鳴器拾聲器，送話器，受話器，揚(yáng)聲器，蜂鳴器等聲頻范圍的電聲器件等聲頻范圍的電聲器件發(fā)射發(fā)射 與接收與接收超聲換能器超聲換能器超聲切割，焊接，清洗，攪拌，乳化及超聲超聲切割，焊接，清洗，攪拌，乳化及超聲顯示等頻率高于顯示等頻率高于20KHz的超聲器件，壓電馬的超聲器件，壓電馬達(dá)，探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造，油井固實(shí)程

30、度，無(wú)損探達(dá)，探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造，油井固實(shí)程度，無(wú)損探傷和測(cè)厚，催化反應(yīng)，超聲衍射，疾病診斷傷和測(cè)厚，催化反應(yīng)，超聲衍射，疾病診斷等各種工業(yè)用的超聲器件等各種工業(yè)用的超聲器件水聲換能器水聲換能器水下導(dǎo)航定位，通訊和探測(cè)的聲納，超聲探水下導(dǎo)航定位，通訊和探測(cè)的聲納，超聲探測(cè)，魚(yú)群探測(cè)和傳聲器等測(cè)，魚(yú)群探測(cè)和傳聲器等壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用 信信號(hào)號(hào) 處處理理濾波器濾波器通訊廣播中所用各種分立濾波器和復(fù)合濾波器，如彩電中頻濾通訊廣播中所用各種分立濾波器和復(fù)合濾波器，如彩電中頻濾波器；雷達(dá)，自控和計(jì)算系統(tǒng)所用帶通濾波器，脈沖濾波器等波器；雷達(dá)，自控和計(jì)算系統(tǒng)所用帶通濾波器，脈沖濾波器等放大器放大器聲表

31、面信號(hào)放大器以及振蕩器，混頻器，衰減器，隔離器等聲表面信號(hào)放大器以及振蕩器，混頻器，衰減器，隔離器等表面波導(dǎo)表面波導(dǎo)聲表面波傳輸線聲表面波傳輸線傳傳感感與與計(jì)計(jì)測(cè)測(cè)加速度計(jì)加速度計(jì)壓力計(jì)壓力計(jì)工業(yè)和航空測(cè)定振動(dòng)體或飛行器工作狀態(tài)加速度計(jì)，自動(dòng)控制工業(yè)和航空測(cè)定振動(dòng)體或飛行器工作狀態(tài)加速度計(jì)，自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，污染檢測(cè)用振動(dòng)計(jì)以及流速計(jì)，流量計(jì)和液面計(jì)等開(kāi)關(guān)，污染檢測(cè)用振動(dòng)計(jì)以及流速計(jì)，流量計(jì)和液面計(jì)等角速度計(jì)角速度計(jì)測(cè)量物體角速度及控制飛行器航向的壓電陀螺測(cè)量物體角速度及控制飛行器航向的壓電陀螺紅外探測(cè)計(jì)紅外探測(cè)計(jì)監(jiān)視領(lǐng)空，檢測(cè)大氣污染濃度，非接觸式測(cè)溫以及熱成像，熱監(jiān)視領(lǐng)空，檢測(cè)大氣污染濃度，非接觸式測(cè)溫以及熱成像，熱電探測(cè)、跟蹤器等電探測(cè)、跟蹤器等位移與致動(dòng)器位移與致動(dòng)器激光穩(wěn)頻補(bǔ)償元件，顯微加工設(shè)備及光角度，光程長(zhǎng)的控制器激光穩(wěn)頻補(bǔ)償元件，顯微加工設(shè)備及光角度，光程長(zhǎng)的控制器存存貯貯調(diào)制調(diào)制電光和聲光調(diào)制的光閥，光閘，光變頻器和光偏轉(zhuǎn)器，聲開(kāi)關(guān)電光