材料物理壓電陶瓷課件

材料物理

第五章壓電陶瓷2/6/20231壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a）。

直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

5.1

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及應(yīng)用2/6/20232但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖2/6/20233

同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）

。逆壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ2/6/20235

由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。2/6/20236具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料能實現(xiàn)機—電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷壓電效應(yīng)的可逆性2/6/20237壓電材料的種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。

對壓電材料特性要求：

①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。

②機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。

③電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。

④環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。

⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。

2/6/20239各種壓電材料的優(yōu)缺點壓電單晶優(yōu)點：Q值較大，有良好的溫度特性。缺點：制程困難。陶瓷壓電材料優(yōu)點：抗酸堿，機電耦合系數(shù)高，易制程任意形狀。缺點：溫度系數(shù)大，需高壓極化處理(kV/mm)。高分子壓電材料優(yōu)點：低聲學(xué)阻抗特性，柔軟可做極薄的組件。缺點：壓電參數(shù)小，需極高的極化電場(MV/mm)2/6/202310石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖（a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電陶瓷2/6/202311石英晶體

石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。由圖可見，在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/℃相對介電常數(shù)ε居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性2/6/202313石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。

2/6/202314石英晶體壓電模型(a)不受力時；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力2/6/2023154、壓電半導(dǎo)體材料如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。（3）壓電聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2—PZT)。

2/6/202317應(yīng)用舉例：水聲技術(shù)：水聲換能器超聲技術(shù)：超聲清洗、超聲乳化、超聲分散高電壓發(fā)生裝置：壓電點火器、引燃引爆、壓電變壓器電聲設(shè)備：麥克風(fēng)、揚聲器、壓電耳機傳感器：壓電地震儀壓電驅(qū)動器壓電陶瓷的應(yīng)用2/6/202318壓電陶瓷的主要參數(shù)作為介電材料，可用介電系數(shù)ε，介電損耗tgδ，絕緣電阻率ρ和抗電強度Eb等表征。作為壓電材料，還有一些參數(shù)：

壓電系數(shù)d

機電耦合系數(shù)k

機械品質(zhì)因素Q

頻率系數(shù)N5.2壓電陶瓷的性能參數(shù)2/6/202319壓電系數(shù)沿壓電陶瓷的極化方向施加壓力時，陶瓷就產(chǎn)生放電現(xiàn)象。5.2壓電陶瓷的性能參數(shù)2/6/2023215.2壓電陶瓷的性能參數(shù)321A3A2A1對于T1，T2和T3，只有3方向的極化狀態(tài)發(fā)生變化，只在3方向上產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2/6/202322

機電耦合系數(shù)k

或

Kp是壓電材料進行機械能-電能轉(zhuǎn)換的能力反映。它與材料的壓電系數(shù)、ε和彈性常數(shù)等有關(guān)，是一個比較綜合的參數(shù)。機電耦合系數(shù)反映了機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換效率，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因而K總是小于1的。機電耦合系數(shù)k2/6/202323Z極化方向振動方向柱狀振子K33（縱向機電耦合系數(shù)）Z振動方向Y條狀振子K31（橫向耦機電合系數(shù)）X極化方向Z極化方向圓片振子Kp（平面機電耦合系數(shù)）Kr（徑向機電耦合系數(shù)）2/6/202325機械品質(zhì)因素Qm表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能量損耗的程度；Qm全面越高，能量損耗就越??；產(chǎn)生的原因是存在內(nèi)摩擦。2/6/202326

鐵電單晶固然具有較高的壓電效應(yīng)，但單晶工藝復(fù)雜，不易加工成各種形狀，因而不易大量生產(chǎn)，成本也很高。鐵電陶瓷則易加工生產(chǎn)，成本低，且能根據(jù)不同的用途對性能的要求采用摻雜改性。缺點：存在粒界，氣孔及其它缺陷，均勻性及機械強度不夠理想，電損耗較大，妨礙了壓電陶瓷在高頻率中的使用。5.2壓電陶瓷材料2/6/202329壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)：1.鈣鈦礦結(jié)構(gòu)2.鎢青銅型結(jié)構(gòu)3.鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)4.鉍層狀結(jié)構(gòu)5.2壓電陶瓷材料2/6/2023301.鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABO3：A：＋1,＋2,＋3Na＋，K＋，Ba2+，La3+B：＋5,＋4,＋3Nb5+,Ti4+，F(xiàn)e3+5.2壓電陶瓷材料2/6/2023312.鎢青銅型結(jié)構(gòu)

[BO6]氧八面體以頂角相連構(gòu)成骨架。

B離子為Nb、Ta、W等。

[BO6]骨架間存在三種空隙：A1（較大）、A2（最大）、C（最?。┭醢嗣骟w中心因所處位置的對稱性不同可能為B1和B2

填滿型與非填滿型。鎢青銅結(jié)構(gòu)在（001)面上的投影2/6/2023323.鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)順電相鐵電相氧八面體以共面形式重疊

Li位于氧八面體的公共面

Nb位于氧八面體中心極化時，Li,Nb偏離中心位置，沿c軸出現(xiàn)電偶極矩2/6/2023334.鉍層狀結(jié)構(gòu)Bi4Ti3O122/6/2023345.2.1鉛基壓電陶瓷1.單元系2.二元系3.三元系5.2壓電陶瓷材料2/6/202335PbTiO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體，Tc高，490℃。各向異性大（c/a＝1.063），晶界能高，難以制備致密、機械強度高的陶瓷。矯頑場強較大，預(yù)極化困難。提高極化溫度有利于極化，但抗電強度下降，易擊穿。摻入少量稀土、NiO、MnO2等，可促進燒結(jié)。晶粒大小與機電耦合系數(shù)k有關(guān)。PiezoelectricEffect5.2.1.1單元系鉛基壓電陶瓷2/6/202336BaTiO3系與PbTiO3系壓電陶瓷自從1942~1943年之間美、日、蘇聯(lián)學(xué)者各自獨立發(fā)現(xiàn)BaTiO3中存在異常的介電現(xiàn)象，1947年又發(fā)現(xiàn)預(yù)極化后的BaTiO3陶瓷的壓電性能，并制成壓電元件用于拾音器、換能器；二戰(zhàn)期間，

BaTiO3成功用于水聲及電聲換能器、通訊濾波器上，在很長的一段時間內(nèi)，BaTiO3陶瓷是主要的壓電陶瓷材料，但目前其作用范圍在不斷縮小。5.2.1.1單元系鉛基壓電陶瓷2/6/202337BaTiO3陶瓷PbTiO3陶瓷工作溫區(qū)窄（Tc=120℃）工作溫區(qū)寬（Tc=490℃）易極化難極化熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性好ε=1900ε=190Kp=0.354Kp=0.095d33=191(10-12庫/牛)d33=56(10-12庫/牛)g33=11.4(10-3伏·米/牛)g33=33(10-3伏·米/牛)工藝性好工藝性差（粉化，PbO易揮發(fā)）BaTiO3和PbTiO3壓電陶瓷比較2/6/202338比較可知，BaTiO3壓電性好，工藝性好，但致命弱點是工作溫區(qū)窄（0~120℃），且在工作溫區(qū)內(nèi)各壓電性能隨溫度變化很大。因此相比之下，PbTiO3的工作溫度區(qū)寬，性能更穩(wěn)定。另外，PbTiO3陶瓷的介電系數(shù)小，熱釋電系數(shù)大，接近于60μC/cm2·K，居里點高，抗輻射性能好，還是一種相當(dāng)理想的熱釋電探測器材料。2/6/202339PbNb2O6鎢青銅結(jié)構(gòu)Tc高（570℃）壓電系數(shù)的各向異性大，d33/d31≈10機械品質(zhì)因素特別低（Q≈11）主要用于超聲缺陷檢測、人體超身診斷及水聽器等2/6/202340

人們在1953年起開始試制成功PbZrO3-PbTiO3二元系固溶體壓電陶瓷，其各項壓電性能和溫度穩(wěn)定性等均大大優(yōu)于BaTiO3、PbTiO3壓電陶瓷，因此得到了廣泛的應(yīng)用。如水聲、電聲和通訊濾波器件中。5.2.1.2二元系鉛基壓電陶瓷2/6/202341PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結(jié)構(gòu)

PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)特點比較：PbZrO3PbTiO3結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Tc(立方順電)230℃（正交晶系）490℃類別反鐵電體鐵電體<Tcc/a<1(0.981,正交)c/a>1(1.063)>Tc立方順電相5.2.1.2二元系鉛基壓電陶瓷

PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無限固溶體，表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡稱PZT瓷。2/6/2023421.PbZrO3-PbTiO3系壓電陶瓷（1）PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結(jié)構(gòu)2/6/202343

由于成分不同，在溫度-成分相圖上，隨著成分的改變，相也會發(fā)生改變，那么分離兩種相的邊界就稱為準(zhǔn)同型相界。通常在這個成分下是兩相共存的。

例如最常見的PZT壓電陶瓷：在相圖上我們很容易看到在室溫下，在富鋯區(qū)標(biāo)記為R相，也就是三方相；而在富鈦區(qū)標(biāo)記為T相，也就是四方相；那么R相和T相必將有一個相界線，這個相界線就是準(zhǔn)同型相界，它對應(yīng)的成分是Zr:Ti=52:48。

現(xiàn)在普遍認(rèn)為在準(zhǔn)同型相界處，壓電系數(shù)最大。準(zhǔn)同型相界MPB2/6/202344PZT瓷的低溫相圖(1)隨Zr：Ti變化，居里點幾乎線形地從235℃變到490℃，Tc線以上為立方順電相，無壓電效應(yīng)。2/6/202345(2)

Tc線以下，Zr：Ti=53：47附近有一同質(zhì)異晶相界線（準(zhǔn)同型相界線），富鈦側(cè)為四方鐵電相Ft，富鋯一側(cè)為高溫三方（三角）鐵電相FR（高溫），溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，并與Tc線交于360℃（表明相界附近居里溫度Tc高），在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變（見P119圖5-7）。2/6/202346(3)實驗表明，在四方鐵電相Ft與三方鐵電相FR（高溫）的相界附近具有很強的壓電效應(yīng)。Kp,ε出現(xiàn)極大值，Qm出現(xiàn)極小值。2/6/202347

原因為：這種現(xiàn)象與晶相結(jié)構(gòu)中相并存或相重疊有關(guān)，類似BaTiO3瓷中的重疊效應(yīng)。相界線不是明確的成分分界線，而是具有一定寬度、成分比范圍的相重疊區(qū)域，在相界線附近，晶粒中可同時存在四方鐵電相和三方鐵電相。在此區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)t和FR(高溫)自由能相近，相轉(zhuǎn)變激活能低，在弱電場誘導(dǎo)下就能發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，使不同取向的晶粒的自發(fā)極化軸盡可能統(tǒng)一到電場方向，因而ε↑，KP↑

。由于電疇定向充分，內(nèi)摩擦增大，故Qm↓

。因此，為了獲得KP↑,ε↑的材料，組成宜選在Zr：Ti=53：47附近，為了獲得Qm↑伴隨KP↓的材料，則應(yīng)選在遠(yuǎn)離53：47處。在四方鐵電相Ft與三方鐵電相FR（高溫）的相界附近具有很強的壓電效應(yīng)。Kp,ε出現(xiàn)極大值，Qm出現(xiàn)極小值。2/6/202348在相界附近的PZT瓷壓電性能比BaTiO3瓷高得多。(4)由于相界處PZT瓷的Tc=360℃高，第二轉(zhuǎn)變點低，因而在200℃以內(nèi)KP，ε都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。2/6/202349PZT瓷的摻雜改性:為了滿足不同的使用目的，需要具有各種性能的PZT壓電陶瓷，為此可以添加不同的離子來取代A位的Pb2+離子或B位的Zr4+，Ti4+離子，從而改進材料的性能。5.2.2壓電陶瓷的改性2/6/202350上述離子取代Pb2+后，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，仍為鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，但出現(xiàn)了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉(zhuǎn)向激活能減小，在人工預(yù)極化處理時，有利于90o疇轉(zhuǎn)向與保留，故ε↑，KP↑,d↑。另外，Sr2+取代Pb2+后，Tc↓，也使常溫下的ε↑。由于一個取代離子往往影響周圍103個晶胞，因而加入5~10mol%的添加物就足以影響整個晶體了。過多的添加物往往會向晶界偏析，且會使晶體結(jié)構(gòu)向立方順電相轉(zhuǎn)變。等價取代也包括用Sn4+、Hf4+離子，但效果不顯著，很少使用。

a.等價A位取代等價取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+等二價離子取代Pb2+，結(jié)果使PZT瓷的ε↑，KP↑，d↑，從而提高PZT瓷的壓電性能。2/6/202351b.

軟性取代改性（高價缺位取代）所謂“軟”是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC↓

，因而在電場或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“軟”。軟性取代采用La3+、Bi3+、Sb3+等取代A位Pb2+離子或Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子。經(jīng)取代改性后的PZT瓷性能有如下變化：2/6/202352矯頑場強EC↓

，電滯回線為矩形（瘦高）ε↑，KP↑，tgδ↑，Qm↓，抗老化性↑，ρV↑

。原因：應(yīng)力緩沖效應(yīng)高價離子取代，產(chǎn)生Pb缺位，可部分緩沖（應(yīng)力，形變）疇壁易運動EC↓

Ps↑

KPQm↓

ε↑,tgδ↑(由實驗知不可能生成，或,故只能生成)

2/6/20235390o疇轉(zhuǎn)向后，使晶軸方向變化，形變方向也發(fā)生變化，因而形成應(yīng)力。隨時間的推移，90o疇趨于恢復(fù)原狀，發(fā)生老化（ε↑、KP↑、Qm↓）加入軟性添加劑后形成，可緩沖這種應(yīng)力，使剩余應(yīng)力下降，剩余極化強度Ps很快穩(wěn)定下來，因而抗老化性增強。2/6/202354鉛陶瓷在燒結(jié)時，由于PbO的飽和蒸汽壓高，因而PbO易揮發(fā)。PZT瓷在燒結(jié)時，由于PbO揮發(fā)而形成。起受主作用，生成時伴隨2h?生成，因而使PZT瓷為P型導(dǎo)電。當(dāng)材料中加入適當(dāng)高價雜質(zhì)后，作為施主，可提供電子。這些電子與空穴復(fù)合h+e=0，因而使電導(dǎo)率σ↓，電阻率ρv↑，從而可在更強的電場下預(yù)極化，使Pr↑，

KP↑

。一般軟性添加劑的量≤1wt%，過多將改變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。2/6/202355c.硬性取代改性（低價取代）硬性取代采用K+，Na+取代A位的Pb2+離子，F(xiàn)e2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Ga3+、In3+、Cr3+等離子取代B位的Ti4+，Zr4+離子。取代后Ec↑，極化變難，性質(zhì)變“硬”。作用：Ec↑、ε↓、KP↓

、tgσ↓、Qm↑

（抗老化性↓）、ρv↓2/6/202356硬性添加劑加入后極化困難，只有在高溫下預(yù)極化，但T↑時ρv↓

，這就使預(yù)極化場強不能太高，從而Ps↓這是KP↓

的一個原因。硬性添加劑加入后形成，由于不可能很多，否則將破壞鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（氧八面體共頂點形成骨架），因而硬性添加劑固溶度有限，多余部分向晶界偏析，可抑制晶粒生長，使晶粒細(xì)化，材料致密，從而Qm↑

。

2/6/202357（d)軟硬兼施PZT中加入W(軟)、Mn(硬)可使KP↑

、

Qm↑軟硬兼優(yōu)；加Nb2O5(軟)、Al2O3(硬)軟硬抵消2/6/202358壓電陶瓷用途很多，不同場合對壓電陶瓷性能要求不同。常用PZT瓷料2/6/202359

由于一些性能往往是互相克制的，如Qm↑

，則KP↓

；ε↑則tgδ↑；KP↑則熱穩(wěn)定性↓，因此選用材料時應(yīng)全面考慮，適當(dāng)折中。PZT材料中KP=0.10~0.40，Qm=500~3600，具有比較寬的覆蓋范圍，能滿足一般壓電器件的要求，但這些性能都不是最佳值。1965年以來，人們通過在PZT的基礎(chǔ)上再固溶另一種組分更復(fù)雜的復(fù)合鈣鈦化合物而形成的三元系壓電瓷以達(dá)到更好的性能。2/6/202360所謂三元系壓電陶瓷，是在PZT的基礎(chǔ)上再添加三元-復(fù)合鈣鈦礦型物質(zhì)(A,A’)(B,B’)O3而組成的。在實際大多數(shù)多元系壓電陶瓷中，A位元素仍是鉛，所改變的只是處于八面體中的B位的元素。因此：在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三維八面體網(wǎng)中，在相互固溶的情況下，八面體的中心將有四種或更多電價不一定為4的元素（包括Zr和Ti）統(tǒng)計地均勻分布，改變其元素種類與配料，就可調(diào)整、優(yōu)選出一系列具有特殊性能的壓電陶瓷。5.2.3三元系鉛基壓電陶瓷2/6/202361b.特性：5.2.3三元系鉛基壓電陶瓷2/6/202362由于第三相的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更為寬廣，在PTZ中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種性能均可以較大程度地滿足。以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3系為例，三者能完全固溶，且具有三種晶型。富Zr區(qū)為三方鐵電體FR，富Ti區(qū)為四方鐵電體FT，富Nb、Mg區(qū)為假立方鐵電體FPC。隨著Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的增加，在室溫下將出現(xiàn)兩條準(zhǔn)同形相界。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)成分在準(zhǔn)同形相界附近時都具有特別突出的壓電性能。因此在PTZ系列中只有當(dāng)Zr：Ti=53：47時的“一個點”附近可供選擇。而在PCM系列中當(dāng)Zr：Ti=44~54整根準(zhǔn)同形相界附近，都具有這種由于相重疊而引起的突出壓電性能，KP、ε特性出現(xiàn)不連續(xù)的成分比。5.2.3三元系鉛基壓電陶瓷2/6/2023631.BaTiO3基2.Bi0.5Na0.5TiO3基3.鈮酸鹽系4.鉍層狀結(jié)構(gòu)5.2.4無鉛壓電陶瓷2/6/2023642/6/2023652/6/2023662/6/2023672/6/2023682/6/2023692/6/2023702/6/2023712/6/202372壓電陶瓷具有較大的機電耦合系數(shù)、轉(zhuǎn)換效率高、形狀和尺寸不受限制，工藝簡單，成本低廉。聲表面波器件對壓電陶瓷的要求：高致密度、小的氣孔直徑、小晶粒尺寸、高Qm

較大的聲表面波有效機電耦合系數(shù)

ε小，以提高聲表面波器件的聲阻抗表面波聲速的溫度系數(shù)和頻率老化率小均勻性好、重復(fù)性好、成本低廉§7-1壓電陶瓷2/6/202373§7-2透明電光陶瓷1.什么叫透明陶瓷？2.鐵電陶瓷的電光特性3.常用電光陶瓷材料4.電光陶瓷工藝與要求§7-2透明電光陶瓷2/6/2023741.什么叫透明陶瓷？具有多晶結(jié)構(gòu)，但不是多相的陶瓷，并且具有特殊的晶界，有相當(dāng)高的透明度，故稱為透明陶瓷。（基本無氣相，瓷體密度接近或達(dá)到理論值，且經(jīng)過表面研磨，拋光）具有一定的光學(xué)性能（粒界為一層極其緊湊的，相當(dāng)薄的過渡層），介于單晶與多晶之間的材料。若透明的鐵電陶瓷通過電場作用就可改變其光學(xué)性能，稱為透明電光陶瓷?！?-2透明電光陶瓷2/6/2023752.鐵電陶瓷的電光特性光線在介質(zhì)中的傳播速度是與介質(zhì)的ε的平方根成反比。而鐵電