教學(xué)課件 63壓電陶瓷教程

6.3壓電陶瓷本章主要內(nèi)容：1相關(guān)概念（1）極化；（2）壓電效應(yīng)；（3）壓電陶瓷。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）彈性常數(shù)；（2）機械品質(zhì)因素；（3）壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程；（4）機電耦合系數(shù)。3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）4壓電陶瓷的應(yīng)用5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展6.3壓電陶瓷本章主要內(nèi)容：壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)為ABO3，為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

壓電陶瓷結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)為ABO3

在居里點以上，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為有對稱中心的立方晶系，鈦離子處于氧八面體中心，中間孔隙大于鈦離子的體積，鈦離子可以偏離中心位置，但幾率相同，不顯示極性，在居里點以下，晶型轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄担珻軸拉長或變短，鈦離子偏離中心，形成正負電荷中心不重合，晶胞產(chǎn)生極化，稱為極化，晶體內(nèi)出現(xiàn)的自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域叫做電疇。相臨個電疇之間的相交角只能是180或90度。電疇相交的界面叫做疇壁。

電疇示意圖在居里點以上，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為有對稱中心的立方晶系，鐵電性

極化隨外電場轉(zhuǎn)動的性質(zhì)叫做鐵電性。當外電場變化時，可以使極化強度減少到零和使極化轉(zhuǎn)向，壓電陶瓷都具有這一性質(zhì)。

未經(jīng)極化的壓電陶瓷由于各電疇的自發(fā)極化方向不一致，相互抵消，宏觀極化強度為零。極化后各電疇的自發(fā)極化在一定程度上按外電場的方向排列，內(nèi)部極化強度不為零，撤銷電場后，大多數(shù)電疇還沿原來電場方向排列，剩余極化不為零。在陶瓷的上下表面出現(xiàn)電荷.鐵電性

極化隨外電場轉(zhuǎn)動的性質(zhì)叫做鐵電性。當外電場

正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

正壓電效應(yīng)逆壓電電滯回線：

電滯回線是鐵電體的特征曲線。PS飽和極化強度，PR剩余極化強度。

電滯回線電滯回線：

電滯回線是鐵電體的特征曲線。PS飽和極化強度，P1相關(guān)概念（1）極化：是指電介質(zhì)陶瓷中的分子正負電荷移動，造成正負電荷中心不重合，在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極矩。

（2）壓電效應(yīng)：在沒有對稱中心的晶體上施加一個機械力（壓力、張力或切向力）時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，在晶體表面的兩電極上會出現(xiàn)等量的正、負電荷，電荷多少與力的大小成正比，當機械力撤去后，電荷會消失，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當在晶體上施加一個外電場引起極化時，晶體會發(fā)生形變，且形變大小與電場成正比，若撤除電場，則晶體又恢復(fù)原狀，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。1相關(guān)概念

（3）壓電陶瓷：經(jīng)過人工極化處理具有壓電效應(yīng)的陶瓷制品。

人工極化：是指在壓電陶瓷上施加直流強電場進行極化，使陶瓷的各個晶粒內(nèi)的自發(fā)極化方向?qū)⑵骄厝∠蛴陔妶龇较?，使之具有近似于單晶的極性，并呈現(xiàn)出明顯的壓電效應(yīng)。（3）壓電陶瓷：經(jīng)過人工極化處理具有壓電效應(yīng)的陶瓷制品。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）彈性常數(shù)(elasticcoefficient)彈性常數(shù)是反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的物理量。它服從胡克定律：“在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比?！痹O(shè)應(yīng)力為T，加于截面積為A的壓電陶瓷上（單位：N/m2），其所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)镾（無量綱），則根據(jù)胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間有如下關(guān)系：S=sTT=cS

式中s為彈性順度常數(shù)，單位為m2/N；c為彈性勁度常數(shù)，單位為N/m2。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（2）機械品質(zhì)因素(mechanicalqualityfactor)

它表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機械品質(zhì)因素越大，能量的損耗越小。（3）壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程壓電陶瓷具有壓電性，即施加應(yīng)力時能產(chǎn)生額外的電荷，其所產(chǎn)生的電荷與施加的應(yīng)力成比例。壓電陶瓷的壓電常數(shù)有壓電應(yīng)變常數(shù)、壓電電壓常數(shù)、壓電應(yīng)力常數(shù)以及壓電勁度常數(shù)等。反映壓電陶瓷的彈性變量（即應(yīng)力、應(yīng)變）和電學(xué)變量(即電場、電位移)之間的關(guān)系的方程式，稱為壓電方程。（2）機械品質(zhì)因素(mechanicalqualityf（4）機電耦合系數(shù)(electromechanicalcouplingfactor)機電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應(yīng)。機電耦合系數(shù)可定義為：電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躃2=-------------------------K2=----------------------------輸入電能輸入機械能（4）機電耦合系數(shù)(electromechanicalco3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）典型壓電陶瓷：鈦酸鋇、鈦鋯酸鉛、鈦酸鉛下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷為例介紹壓電陶瓷的必要工序及制作方法。壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：

配料→球磨→過濾、干燥→預(yù)燒→二次球磨→過濾、干燥→過篩→成型→排塑→燒結(jié)→精修→上電極→燒銀→極化→測試。3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）（1）原料處理原料的純度是制備優(yōu)良壓電陶瓷的首要條件。通常來說，希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的原料，如Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等，若純度低，引入雜質(zhì)總量就很大，所以純度要高些。小劑量的原料則純度要求相對低些。以上原料經(jīng)水洗去除一些水溶雜質(zhì)后烘干，然后進行煅燒粉碎，通常希望顆粒度在2um以下。（1）原料處理（2）預(yù)燒經(jīng)過煅燒粉碎的原料混合配料后要進行預(yù)燒，其目的是為了使化學(xué)反應(yīng)充分進行。實驗表明，如果預(yù)燒溫度恰當，燒結(jié)溫度可以在很寬的范圍內(nèi)波動，對致密度無顯著影響，預(yù)燒溫度如果偏低，燒成溫度無論如何提高（或延長保溫時間），也不能得到很高的致密度。此外，預(yù)燒溫度和保溫時間比較起來，預(yù)燒溫度所起作用更為重要。預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段：線性膨脹（室溫~400℃）、固相反應(yīng)（400~750℃）、收縮（750~850℃）和晶粒生長（800~900℃以上）。（2）預(yù)燒（3）成型和排塑簡單形狀的制品通過模壓法成型，不均勻截面的條形制品可以通過擠壓法成型，薄板用流延法和軋膜法成型，大的圓環(huán)和更復(fù)雜的形狀用注漿法成型。成型之前需加入粘合劑（常用的粘合劑的配制質(zhì)量比為：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸餾水75%；在90℃下攪拌溶化）。成型后生坯中的粘合劑、水分等加溫排去，稱為排塑或排膠。通常排塑溫度800~850℃，保溫時間1小時左右。（3）成型和排塑（4）燒結(jié)燒結(jié)溫度范圍主要是由化學(xué)組成決定的。低于燒結(jié)范圍，制品的氣孔率高、致密度低，壓電性能也就差。如果超過燒結(jié)范圍的上限，則由于出現(xiàn)過多液相，會發(fā)生粘連，或嚴重失鉛，也會導(dǎo)致性能下降。此外，燒結(jié)溫度過高會使晶粒過大，機械強度變差。燒結(jié)過程中PbO的揮發(fā)對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。由于PbO揮發(fā)，破壞了配方的化學(xué)組成，工藝上為了防止PbO揮發(fā)，通常采用密封法、埋入法、加氣氛片法等措施加以解決。（4）燒結(jié)（5）上電極燒成的陶瓷經(jīng)精修、清潔后，就可以被覆上電極。一般來說是將含銀涂料（銀漿）涂于制品表面，并在600~800℃下燒結(jié)，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。對于薄片，可以通過濺射或蒸發(fā)鍍上一層鎳鉻或金作為電極。被上電極的產(chǎn)品便可進行人工極化處理。（5）上電極（6）極化壓電陶瓷燒結(jié)后還需極化處理。這是因為剛燒結(jié)好的壓電陶瓷電疇無規(guī)則取向，故整體不呈壓電性，只有通過極化處理使電疇沿一特定方向極化后才顯出壓電性。提高極化電場，極化溫度以及延長極化時間有利于極化的充分進行。（6）極化4壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的壓電性是居里兄弟于1880年在單晶體上發(fā)現(xiàn)的。1940年以前，只有單晶體壓電材料，由于存在多種缺點（如易溶于水），未能得到廣泛應(yīng)用。第一批商業(yè)性壓電陶瓷器件是美國人在1947年用陶瓷制造的BaTiO3留聲機拾音器，但BaTiO3存在壓電性弱和壓電性隨溫度變化大的缺點。4壓電陶瓷的應(yīng)用1954年美國B.賈菲等人發(fā)現(xiàn)了PbZrO3-PbTiO3

（PZT）固溶體系統(tǒng)，它使在BaTiO3時代不能制作的器件成為可能。目前，壓電陶瓷的應(yīng)用已日益廣泛，大致可分為壓電振子和壓電換能器兩個方面。前者主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)成另一種能量形式，要求機電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。1954年美國B.賈菲等人發(fā)現(xiàn)了PbZrO3-PbTiO3壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域舉例電源雷達，電視顯像管，高壓電源，點火裝置信號轉(zhuǎn)換振蕩器，音叉，送話器，蜂鳴器，超聲換能器發(fā)射接收超聲探測，聲納，水下導(dǎo)航，無損檢測，醫(yī)療信號處理濾波器，放大器，振蕩器，混頻器傳感計測加速度計，壓力計，角速度計，紅外探測器存貯顯示電光、聲光調(diào)制器，光存貯器，聲光顯示器其它非線性元件，壓電繼電器等壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域舉壓電陶瓷應(yīng)用（一）壓電陶瓷應(yīng)用（一）壓電陶瓷應(yīng)用（二）壓電陶瓷應(yīng)用（二）5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展5.1引言超聲換能器是實現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件。最早的超聲換能器是P.郎之萬(P.Langevin)在1917年為水下探測設(shè)計的夾心式換能器。這個換能器是以石英晶體為壓電材料，用兩塊鋼板在兩側(cè)夾緊而成的。1933年以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器，強度高、穩(wěn)定性好、功率容量大，迅速取代了當時的郎之萬換能器。到了50年代，由于電致伸縮材料、鈦酸鋇鐵電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的研制成功，使郎之萬型超聲換能器再度興起。5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣，且對超聲測量精度、測量范圍、超聲功率以及器件的微小化程度的要求越來越高。超聲換能器歷來是各種超聲應(yīng)用的關(guān)鍵部件，國內(nèi)外均大力研究，近年來取得了很多成就。本節(jié)將介紹壓電超聲換能器的種類、應(yīng)用和發(fā)展。目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣，且對超聲測量精度、測量范圍、超聲

5.2壓電超聲換能器的種類壓電超聲換能器的種類很多：按組成超聲換能器的壓電元件形狀分為薄板形、圓片形、圓環(huán)形、圓管形、圓棒形、薄殼球形、壓電薄膜等；按振動模式分為伸縮振動、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動等；按伸縮振動的方向分為厚度、切向、縱向、徑向等；按壓電轉(zhuǎn)換方式分為發(fā)射型(電-聲轉(zhuǎn)換)、接收型(聲-電轉(zhuǎn)換)、發(fā)射-接收復(fù)合型等。5.2壓電超聲換能器的種類5.3壓電換能器的應(yīng)用壓電換能器的應(yīng)用十分廣泛，它按應(yīng)用的行業(yè)分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；按實現(xiàn)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測、檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、固體、氣體、生物體等；按性質(zhì)分為功率超聲、檢測超聲、超聲成像等。5.3壓電換能器的應(yīng)用（1）壓電陶瓷變壓器壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅(qū)動，通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械藕合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)壓電體的電能-機械能-電能的兩次變換，在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比，這具有體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾和電磁噪聲，且結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、易批量生產(chǎn)，在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動器等。（1）壓電陶瓷變壓器（2）超聲馬達超聲馬達是把定子作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，結(jié)構(gòu)簡單，直接驅(qū)動，無制動機構(gòu)，無軸承機構(gòu)，這些優(yōu)點有益于裝置的小型化。它們廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫(yī)學(xué)與生物工程領(lǐng)域。（2）超聲馬達(3)超聲波清洗超聲清洗的機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng)，對清洗件上的污物產(chǎn)生的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達到清洗物件的目的。清洗所用的頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10~500kHz，一般多為20~50kHz。隨著頻率的增加，可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。超聲清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。(3)超聲波清洗(4)超聲焊接超聲焊接有超聲金屬焊接和超聲塑料焊接兩大類。其中超聲塑料焊接技術(shù)已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大，所以會產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位，另外，還節(jié)約了塑料制品昂貴的模具費，縮短了加工時間，提高了生產(chǎn)效率，有經(jīng)濟、快速和可靠等特點。(4)超聲焊接(5)超聲加工把微細磨料隨超聲加工工具一起以一定靜壓力加在工件上，就能加工出與工具相同的形狀。超聲工具使工件表面的磨料以相當大的沖擊力連續(xù)沖擊，破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達到去除材料的目的。超聲加工主要應(yīng)用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波振動時，也可起到提高精度和效率的作用。(5)超聲加工（6）超聲減肥利用超聲波的空化效應(yīng)和微機械振動，將人體表皮下多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外，達到減肥、塑形的目的。這是國際上90年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)。意大利的Zocchi首次將超聲去脂用于臨床，并獲得成功，為整形、美容開創(chuàng)了先河。近10年來超聲去脂技術(shù)在國內(nèi)外得以迅速發(fā)展。（7）超聲育種對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射，可提高種子的發(fā)芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高植物生長速度。據(jù)資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長速度提高2~3倍。（6）超聲減肥（8）電子血壓計利用壓電換能器接收血管的壓力，當氣囊加壓緊壓血管時，因外加壓力高于血管舒張壓力，壓電換能器感受不到血管的壓力；而當氣囊逐漸泄氣，壓電換能器對血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時，二者的壓力達到平衡，此時壓電換能器就能感受到血管的壓力，該壓力即為心臟的收縮壓，通過放大器發(fā)出指示信號，給出血壓值。電子血壓計由于取消了聽診器，可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。

（9）遙測遙控在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中，人們不能接近工作，需要遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控，都可裝上壓電超聲換能器，通過遠地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收，把聲信號轉(zhuǎn)變成電信號使開關(guān)動作。（8）電子血壓計(10)交通監(jiān)測現(xiàn)代交通，自動監(jiān)測車輛的通行和計數(shù)以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設(shè)備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數(shù)累計可得到日行車輛的數(shù)量。給汽車尾部裝一個收發(fā)兩用的換能器，可防止倒車相撞事故發(fā)生。在公路上安裝接收型壓電超聲換能器還可以監(jiān)測噪聲指數(shù)。

(11)測距超聲測距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器，測量脈沖時間間隔。目前的聲尺可測10m以內(nèi)的距離，精度可達千分之幾。(10)交通監(jiān)測(12)檢漏及氣體流量檢測對于壓力系統(tǒng)，在泄漏處，由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對于非壓力系統(tǒng)，可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時測到的信號幅度極小或沒有，在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多種方法，如浮子流量計等。但超聲法主要優(yōu)點是不妨礙流體的流動。

(13)機器人成像信息采集智能機器人要實現(xiàn)在空間自由行走、辨認物體等功能，不僅要用超聲換能器測距導(dǎo)盲，而且要成像辨識。所以，需要小型的超聲換能器陣，以實現(xiàn)多種功能，這方面將成為一項重要的研究課題，吸引著眾多的科學(xué)家為之奮斗。(12)檢漏及氣體流量檢測5.5壓電超聲換能器的最新發(fā)展當前發(fā)展方向為大功率、低壓驅(qū)動、高頻、薄膜化、微型化、集成化。（1）大功率換能器

在許多場合需要大功率的換能器。在大功率換能器領(lǐng)域，鈮鎂酸鉛(PMN)陶瓷是有發(fā)展前途的材料。PMN的優(yōu)點是在中度的電場中就可以產(chǎn)生大的應(yīng)變，遲滯小。但電致伸縮效應(yīng)是非線性的，相應(yīng)的物理常數(shù)取決于溫度和頻率，且需直流偏壓，這就需要研究如何處理這些問題。

在工業(yè)液體處理中使用的高強度超聲波需特殊的大功率換能器，在功率容量、效率、輻射面積和指向性方面都有要求。大功率換能器有望在礦藏勘探和鉆井上得到應(yīng)用。5.5壓電超聲換能器的最新發(fā)展（2）低壓驅(qū)動換能器許多諧振超聲裝置如超聲馬達和大功率換能器需產(chǎn)生大的振幅。鋯鈦酸鉛(PZT)是廣泛應(yīng)用的電聲轉(zhuǎn)化材料。在20kHz時，PZT在400kV/m的電場中，在共振條件下產(chǎn)生的振幅要達到微米級，需2000V的電壓，5mm厚的壓電陶瓷環(huán)。在某些情況下(航空航天，便攜式裝置)，使用高壓是一種缺陷。此時，大振幅的超聲頻率必須用低壓驅(qū)動。減小多層陶瓷的電極間的距離可解決這個問題。因為當場強一定時，極間距越小，所需電壓也越小。（2）低壓驅(qū)動換能器（3）高頻換能器頻率大于15~20MHz的B超在醫(yī)療上的應(yīng)用已有十幾年了，高頻超聲應(yīng)用范圍的增加促進了一些領(lǐng)域的迅速發(fā)展。目前已經(jīng)制成高達100MHz以上的高頻壓電陶瓷振子。高頻壓電陶瓷器件以其體積小、質(zhì)量輕、能耗低、無需調(diào)整等優(yōu)點被廣泛用于電視機、錄相機、自動化電子裝置、通信設(shè)備、復(fù)印機、計算機、語音合成器和遙控器等電子整機中。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，需要越來越大。國內(nèi)僅電視機、遙控器、音響、計算機等電子設(shè)備年應(yīng)用量約10億只，而國內(nèi)僅有極少數(shù)幾家生產(chǎn)13MHz以下器件，產(chǎn)量約3億只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以上的器件基木上依靠進口，市場缺口非常大。隨著壓電陶瓷元器件制作工藝技術(shù)的改進，諧振頻率及特性的不斷提高，它將越來越廣泛地取代石英晶體器件，其應(yīng)用量將以每年5%~10%的速度遞增。所以研制高頻壓電陶瓷諧振器產(chǎn)品，具有極大的推廣應(yīng)用前景，有良好的市場空間。（3）高頻換能器（4）壓電薄膜換能器超聲成像裝置的圖像分辨率受到超聲換能器頻率的限制。因此，提高超聲圖像的分辨率己成為超聲成像技術(shù)研究的方向之一。壓電薄膜制成的換能器具有良好的脈沖響應(yīng)，用于超聲成像可獲得高分辨率的圖像。（5）換能器的微型化裝置的微型化離不開動力元件的微型化，在動力微元件中，壓電超聲馬達以其體積小、轉(zhuǎn)速低、力矩大而受到重視。壓電超聲換能器是壓電微馬達的核心部件。微型壓電超聲馬達的研究起始于美國，1992年麻省理工學(xué)院的Antia.M.Flynn等人研制出薄膜式微型壓電超聲馬達。隨后，日本TakeshiMorita等成功地研制了PZT壓電薄膜圓柱微型超聲馬達。但微型壓電超聲馬達的設(shè)計和制作要求十分苛刻，目前仍處于實驗研究階段，離工業(yè)化還有一段距離。（4）壓電薄膜換能器（6）換能器的集成化集成包括器件的集成以及器件與電路的集成。電磁變壓器體積大，并產(chǎn)生電磁噪聲，而用壓電變壓器則無此缺點。集成還有利于減小回路中的寄生電感和電容。5.6結(jié)束語壓電超聲換能器是超聲技術(shù)的關(guān)鍵部件，其應(yīng)用日趨廣泛。國際上對其研究十分活躍。近年來，我國在壓電換能器的研制、應(yīng)用和開發(fā)方面越來越重視，參加研究的單位也越來越多，并且取得了一定的成績，有些研究成果與國外已很接近，甚至處于先進水平。但總的來說，與發(fā)達國家的差距仍較大，尤其是在技術(shù)的實用化和產(chǎn)業(yè)化方面。因此我們應(yīng)根據(jù)市場需求，研究與市場相適應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)，使其真正成為推動生產(chǎn)力發(fā)展的科技動力。（6）換能器的集成化6.3壓電陶瓷本章主要內(nèi)容：1相關(guān)概念（1）極化；（2）壓電效應(yīng)；（3）壓電陶瓷。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）彈性常數(shù)；（2）機械品質(zhì)因素；（3）壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程；（4）機電耦合系數(shù)。3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）4壓電陶瓷的應(yīng)用5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展6.3壓電陶瓷本章主要內(nèi)容：壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)為ABO3，為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

壓電陶瓷結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)為ABO3

在居里點以上，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為有對稱中心的立方晶系，鈦離子處于氧八面體中心，中間孔隙大于鈦離子的體積，鈦離子可以偏離中心位置，但幾率相同，不顯示極性，在居里點以下，晶型轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，C軸拉長或變短，鈦離子偏離中心，形成正負電荷中心不重合，晶胞產(chǎn)生極化，稱為極化，晶體內(nèi)出現(xiàn)的自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域叫做電疇。相臨個電疇之間的相交角只能是180或90度。電疇相交的界面叫做疇壁。

電疇示意圖在居里點以上，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為有對稱中心的立方晶系，鐵電性

極化隨外電場轉(zhuǎn)動的性質(zhì)叫做鐵電性。當外電場變化時，可以使極化強度減少到零和使極化轉(zhuǎn)向，壓電陶瓷都具有這一性質(zhì)。

未經(jīng)極化的壓電陶瓷由于各電疇的自發(fā)極化方向不一致，相互抵消，宏觀極化強度為零。極化后各電疇的自發(fā)極化在一定程度上按外電場的方向排列，內(nèi)部極化強度不為零，撤銷電場后，大多數(shù)電疇還沿原來電場方向排列，剩余極化不為零。在陶瓷的上下表面出現(xiàn)電荷.鐵電性

極化隨外電場轉(zhuǎn)動的性質(zhì)叫做鐵電性。當外電場

正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

正壓電效應(yīng)逆壓電電滯回線：

電滯回線是鐵電體的特征曲線。PS飽和極化強度，PR剩余極化強度。

電滯回線電滯回線：

電滯回線是鐵電體的特征曲線。PS飽和極化強度，P1相關(guān)概念（1）極化：是指電介質(zhì)陶瓷中的分子正負電荷移動，造成正負電荷中心不重合，在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極矩。

（2）壓電效應(yīng)：在沒有對稱中心的晶體上施加一個機械力（壓力、張力或切向力）時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，在晶體表面的兩電極上會出現(xiàn)等量的正、負電荷，電荷多少與力的大小成正比，當機械力撤去后，電荷會消失，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當在晶體上施加一個外電場引起極化時，晶體會發(fā)生形變，且形變大小與電場成正比，若撤除電場，則晶體又恢復(fù)原狀，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。1相關(guān)概念

（3）壓電陶瓷：經(jīng)過人工極化處理具有壓電效應(yīng)的陶瓷制品。

人工極化：是指在壓電陶瓷上施加直流強電場進行極化，使陶瓷的各個晶粒內(nèi)的自發(fā)極化方向?qū)⑵骄厝∠蛴陔妶龇较?，使之具有近似于單晶的極性，并呈現(xiàn)出明顯的壓電效應(yīng)。（3）壓電陶瓷：經(jīng)過人工極化處理具有壓電效應(yīng)的陶瓷制品。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）彈性常數(shù)(elasticcoefficient)彈性常數(shù)是反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的物理量。它服從胡克定律：“在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比?！痹O(shè)應(yīng)力為T，加于截面積為A的壓電陶瓷上（單位：N/m2），其所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)镾（無量綱），則根據(jù)胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間有如下關(guān)系：S=sTT=cS

式中s為彈性順度常數(shù)，單位為m2/N；c為彈性勁度常數(shù)，單位為N/m2。2壓電陶瓷的性能參數(shù)（2）機械品質(zhì)因素(mechanicalqualityfactor)

它表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機械品質(zhì)因素越大，能量的損耗越小。（3）壓電性、壓電常數(shù)與壓電方程壓電陶瓷具有壓電性，即施加應(yīng)力時能產(chǎn)生額外的電荷，其所產(chǎn)生的電荷與施加的應(yīng)力成比例。壓電陶瓷的壓電常數(shù)有壓電應(yīng)變常數(shù)、壓電電壓常數(shù)、壓電應(yīng)力常數(shù)以及壓電勁度常數(shù)等。反映壓電陶瓷的彈性變量（即應(yīng)力、應(yīng)變）和電學(xué)變量(即電場、電位移)之間的關(guān)系的方程式，稱為壓電方程。（2）機械品質(zhì)因素(mechanicalqualityf（4）機電耦合系數(shù)(electromechanicalcouplingfactor)機電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應(yīng)。機電耦合系數(shù)可定義為：電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躃2=-------------------------K2=----------------------------輸入電能輸入機械能（4）機電耦合系數(shù)(electromechanicalco3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）典型壓電陶瓷：鈦酸鋇、鈦鋯酸鉛、鈦酸鉛下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷為例介紹壓電陶瓷的必要工序及制作方法。壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：

配料→球磨→過濾、干燥→預(yù)燒→二次球磨→過濾、干燥→過篩→成型→排塑→燒結(jié)→精修→上電極→燒銀→極化→測試。3壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）（1）原料處理原料的純度是制備優(yōu)良壓電陶瓷的首要條件。通常來說，希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的原料，如Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等，若純度低，引入雜質(zhì)總量就很大，所以純度要高些。小劑量的原料則純度要求相對低些。以上原料經(jīng)水洗去除一些水溶雜質(zhì)后烘干，然后進行煅燒粉碎，通常希望顆粒度在2um以下。（1）原料處理（2）預(yù)燒經(jīng)過煅燒粉碎的原料混合配料后要進行預(yù)燒，其目的是為了使化學(xué)反應(yīng)充分進行。實驗表明，如果預(yù)燒溫度恰當，燒結(jié)溫度可以在很寬的范圍內(nèi)波動，對致密度無顯著影響，預(yù)燒溫度如果偏低，燒成溫度無論如何提高（或延長保溫時間），也不能得到很高的致密度。此外，預(yù)燒溫度和保溫時間比較起來，預(yù)燒溫度所起作用更為重要。預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段：線性膨脹（室溫~400℃）、固相反應(yīng)（400~750℃）、收縮（750~850℃）和晶粒生長（800~900℃以上）。（2）預(yù)燒（3）成型和排塑簡單形狀的制品通過模壓法成型，不均勻截面的條形制品可以通過擠壓法成型，薄板用流延法和軋膜法成型，大的圓環(huán)和更復(fù)雜的形狀用注漿法成型。成型之前需加入粘合劑（常用的粘合劑的配制質(zhì)量比為：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸餾水75%；在90℃下攪拌溶化）。成型后生坯中的粘合劑、水分等加溫排去，稱為排塑或排膠。通常排塑溫度800~850℃，保溫時間1小時左右。（3）成型和排塑（4）燒結(jié)燒結(jié)溫度范圍主要是由化學(xué)組成決定的。低于燒結(jié)范圍，制品的氣孔率高、致密度低，壓電性能也就差。如果超過燒結(jié)范圍的上限，則由于出現(xiàn)過多液相，會發(fā)生粘連，或嚴重失鉛，也會導(dǎo)致性能下降。此外，燒結(jié)溫度過高會使晶粒過大，機械強度變差。燒結(jié)過程中PbO的揮發(fā)對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。由于PbO揮發(fā)，破壞了配方的化學(xué)組成，工藝上為了防止PbO揮發(fā)，通常采用密封法、埋入法、加氣氛片法等措施加以解決。（4）燒結(jié)（5）上電極燒成的陶瓷經(jīng)精修、清潔后，就可以被覆上電極。一般來說是將含銀涂料（銀漿）涂于制品表面，并在600~800℃下燒結(jié)，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。對于薄片，可以通過濺射或蒸發(fā)鍍上一層鎳鉻或金作為電極。被上電極的產(chǎn)品便可進行人工極化處理。（5）上電極（6）極化壓電陶瓷燒結(jié)后還需極化處理。這是因為剛燒結(jié)好的壓電陶瓷電疇無規(guī)則取向，故整體不呈壓電性，只有通過極化處理使電疇沿一特定方向極化后才顯出壓電性。提高極化電場，極化溫度以及延長極化時間有利于極化的充分進行。（6）極化4壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的壓電性是居里兄弟于1880年在單晶體上發(fā)現(xiàn)的。1940年以前，只有單晶體壓電材料，由于存在多種缺點（如易溶于水），未能得到廣泛應(yīng)用。第一批商業(yè)性壓電陶瓷器件是美國人在1947年用陶瓷制造的BaTiO3留聲機拾音器，但BaTiO3存在壓電性弱和壓電性隨溫度變化大的缺點。4壓電陶瓷的應(yīng)用1954年美國B.賈菲等人發(fā)現(xiàn)了PbZrO3-PbTiO3

（PZT）固溶體系統(tǒng)，它使在BaTiO3時代不能制作的器件成為可能。目前，壓電陶瓷的應(yīng)用已日益廣泛，大致可分為壓電振子和壓電換能器兩個方面。前者主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)成另一種能量形式，要求機電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。1954年美國B.賈菲等人發(fā)現(xiàn)了PbZrO3-PbTiO3壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域舉例電源雷達，電視顯像管，高壓電源，點火裝置信號轉(zhuǎn)換振蕩器，音叉，送話器，蜂鳴器，超聲換能器發(fā)射接收超聲探測，聲納，水下導(dǎo)航，無損檢測，醫(yī)療信號處理濾波器，放大器，振蕩器，混頻器傳感計測加速度計，壓力計，角速度計，紅外探測器存貯顯示電光、聲光調(diào)制器，光存貯器，聲光顯示器其它非線性元件，壓電繼電器等壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域舉壓電陶瓷應(yīng)用（一）壓電陶瓷應(yīng)用（一）壓電陶瓷應(yīng)用（二）壓電陶瓷應(yīng)用（二）5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展5.1引言超聲換能器是實現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件。最早的超聲換能器是P.郎之萬(P.Langevin)在1917年為水下探測設(shè)計的夾心式換能器。這個換能器是以石英晶體為壓電材料，用兩塊鋼板在兩側(cè)夾緊而成的。1933年以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器，強度高、穩(wěn)定性好、功率容量大，迅速取代了當時的郎之萬換能器。到了50年代，由于電致伸縮材料、鈦酸鋇鐵電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的研制成功，使郎之萬型超聲換能器再度興起。5壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣，且對超聲測量精度、測量范圍、超聲功率以及器件的微小化程度的要求越來越高。超聲換能器歷來是各種超聲應(yīng)用的關(guān)鍵部件，國內(nèi)外均大力研究，近年來取得了很多成就。本節(jié)將介紹壓電超聲換能器的種類、應(yīng)用和發(fā)展。目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣，且對超聲測量精度、測量范圍、超聲

5.2壓電超聲換能器的種類壓電超聲換能器的種類很多：按組成超聲換能器的壓電元件形狀分為薄板形、圓片形、圓環(huán)形、圓管形、圓棒形、薄殼球形、壓電薄膜等；按振動模式分為伸縮振動、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動等；按伸縮振動的方向分為厚度、切向、縱向、徑向等；按壓電轉(zhuǎn)換方式分為發(fā)射型(電-聲轉(zhuǎn)換)、接收型(聲-電轉(zhuǎn)換)、發(fā)射-接收復(fù)合型等。5.2壓電超聲換能器的種類5.3壓電換能器的應(yīng)用壓電換能器的應(yīng)用十分廣泛，它按應(yīng)用的行業(yè)分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；按實現(xiàn)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測、檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、固體、氣體、生物體等；按性質(zhì)分為功率超聲、檢測超聲、超聲成像等。5.3壓電換能器的應(yīng)用（1）壓電陶瓷變壓器壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅(qū)動，通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械藕合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)壓電體的電能-機械能-電能的兩次變換，在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比，這具有體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾和電磁噪聲，且結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、易批量生產(chǎn)，在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動器等。（1）壓電陶瓷變壓器（2）超聲馬達超聲馬達是把定子作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，結(jié)構(gòu)簡單，直接驅(qū)動，無制動機構(gòu)，無軸承機構(gòu)，這些優(yōu)點有益于裝置的小型化。它們廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫(yī)學(xué)與生物工程領(lǐng)域。（2）超聲馬達(3)超聲波清洗超聲清洗的機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng)，對清洗件上的污物產(chǎn)生的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達到清洗物件的目的。清洗所用的頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10~500kHz，一般多為20~50kHz。隨著頻率的增加，可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。超聲清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。(3)超聲波清洗(4)超聲焊接超聲焊接有超聲金屬焊接和超聲塑料焊接兩大類。其中超聲塑料焊接技術(shù)已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大，所以會產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位，另外，還節(jié)約了塑料制品昂貴的模具費，縮短了加工時間，提高了生產(chǎn)效率，有經(jīng)濟、快速和可靠等特點。(4)超聲焊接(5)超聲加工把微細磨料隨超聲加工工具一起以一定靜壓力加在工件上，就能加工出與工具相同的形狀。超聲工具使工件表面的磨料以相當大的沖擊力連續(xù)沖擊，破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達到去除材料的目的。超聲加工主要應(yīng)用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波振動時，也可起到提高精度和效率的作用。(5)超聲加工（6）超聲減肥利用超聲波的空化效應(yīng)和微機械振動，將人體表皮下多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外，達到減肥、塑形的目的。這是國際上90年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)。意大利的Zocchi首次將超聲去脂用于臨床，并獲得成功，為整形、美容開創(chuàng)了先河。近10年來超聲去脂技術(shù)在國內(nèi)外得以迅速發(fā)展。（7）超聲育種對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射，可提高種子的發(fā)芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高植物生長速度。據(jù)資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長速度提高2~3倍。（6）超聲減肥（8）電子血壓計利用壓電換能器接收血管的壓力，當氣囊加壓緊壓血管時，因外加壓力高于血管舒張壓力，壓電換能器感受不到血管的壓力；而當氣囊逐漸泄氣，壓電換能器對血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時，二者的壓力達到平衡，此時壓電換能器就能感受到血管的壓力，該壓力即為心臟的收縮壓，通過放大器發(fā)出指示信號，給出血壓值。電子血壓計由于取消了聽診器，可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。

（9）遙測遙控在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中，人們不能接近工作，需要遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控，都可裝上壓電超聲換能器，通過遠地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收，把聲信號轉(zhuǎn)變成電信號使開關(guān)動作。（8）電子血壓計(10)交通監(jiān)測現(xiàn)代交通，自動監(jiān)測車輛的通行和計數(shù)以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設(shè)備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數(shù)累計可得到日行車輛的數(shù)量。給汽車尾部裝一個收發(fā)兩用的換能器，可防止倒車相撞事故發(fā)生。在公路上安裝接收型壓電超聲換能器還可以監(jiān)測噪聲指數(shù)。

(11)測距超聲測距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器，測量脈沖時間間隔。目前的聲尺可測10m以內(nèi)的距離，精度可達千分之幾。(10)交通監(jiān)測(12)檢漏及氣體流量檢測對于壓力系統(tǒng)，在泄漏處，由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對于非壓力系統(tǒng)，可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時測到的信號幅度極小