壓電陶瓷材料

壓電陶瓷材料摘要：本文包括壓電陶瓷壓電陶瓷的產(chǎn)生發(fā)展，機理，生產(chǎn)及其應(yīng)用，從各方面闡述了壓電陶瓷材料的種種物理性能，以及壓電陶瓷為我們生活帶來的便利，對科技發(fā)展帶來的種種貢獻。前言：壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng),壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展,對于性能優(yōu)異的壓電陶瓷材料的開發(fā)和探索已成為各國研究的熱點問題。本文專注介紹了壓電陶瓷的產(chǎn)生發(fā)展，機理，生產(chǎn)及其應(yīng)用，從各方面闡述了壓電陶瓷材料。壓電陶瓷發(fā)展史：1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電學(xué)的歷史。1881年，居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應(yīng)，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。1894年，Voigt指出，僅無對稱中心的二十種點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)，居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應(yīng)，制成了水下超聲探測器，用于探測潛水艇，從而揭開了壓電應(yīng)用史篇章。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)用取得劃時代的進展。1946年美國麻省理工學(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，使其自發(fā)極化沿電場方向擇優(yōu)取向，除去電場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。壓電陶瓷概念：壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷。壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫燒結(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng),壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。壓電陶瓷利用其材料在機械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作，具有敏感的特性?；\統(tǒng)而言，壓電陶瓷即通過外界刺激可以產(chǎn)生電壓的陶瓷材料。壓電陶瓷和電致伸縮陶瓷都是電介質(zhì),電介質(zhì)在電場的作用下有兩種效應(yīng),即逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)。其中逆壓電效應(yīng)是指電介質(zhì)在外電場的作用下產(chǎn)生應(yīng)變,應(yīng)變大小與電場大小成正比,應(yīng)變的方向與電場方向有關(guān)。壓電陶瓷的基本原理：電疇：通常，鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個小區(qū)域就稱為鐵電疇。兩疇之間的界壁稱為疇壁，根據(jù)兩個電疇的自發(fā)極化方向，可分為90°疇壁、180°疇壁等。疇壁通常位于晶體缺陷附近，因為缺陷區(qū)存在內(nèi)應(yīng)力，疇壁不易移動。相鄰電疇的取向一般都是“首尾相接”的（圖2），在應(yīng)力場作用下也會出現(xiàn)“頭對頭，尾對尾”的特殊形態(tài)以利于降低自由能。觀察電疇可以采用化學(xué)腐蝕法、偏光顯微鏡法和X射線形貌法等。180度電疇與90度電疇示意圖鐵電性概念：某些晶體顯示的自發(fā)極化性質(zhì)。鐵電體中存在固有的自發(fā)極化電矩；在鐵電晶體中通常還伴隨著出現(xiàn)電疇結(jié)構(gòu)，同一個電疇中的自發(fā)極化電矩同向；當晶體足夠大時，不同電疇的電矩可以因取向不同而互相抵消，使得宏觀的極化不顯露出來。自發(fā)極化電矩可以在外電場作用下改變方向;在交變外電場E的作用下，鐵電體的宏觀極化強度p與E的關(guān)系出現(xiàn)回線。鐵電體的這些性質(zhì)與鐵磁性十分相似，故稱鐵電性。鐵電體中由于出現(xiàn)疇結(jié)構(gòu)，一般地宏觀極化強度p＝0。當外電場E很小時p與E有線性關(guān)系。當E足夠大以后，出現(xiàn)p滯后于E而變化的關(guān)系曲線稱為電滯回線。。經(jīng)過固定振幅的強交變電場多次反復(fù)極化之后，電滯回線有大致穩(wěn)定的形狀,參見下圖。其中u12為壓電能,u1為彈性能,u2為介電能。極化強度：電介質(zhì)在電場作用下電極化的強弱可用電極化強度來表示,電極化強度p是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和：p=∑Vq1。它直接反映了電介質(zhì)在電場中電學(xué)與力學(xué)的聯(lián)系。3.其他特征壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離。壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，基于這個這微小的變化原理制做的精確控制機構(gòu)－－壓電驅(qū)動器，對于精密儀器和機械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。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，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)備無法望其項背而面臨著被替代的命運。壓電陶瓷的生產(chǎn)：壓電陶瓷主要有三大類：鈦酸鋇類（BaTiO3），原材料有二氧化鈦、碳酸鋇、碳酸鍶等；鋯鈦酸鉛類（PbZrTiO3），原材料有二氧化鈦、氧化鋯、氧化鉛、、碳酸鍶、氧化鈮、氧化鑭等；鈮鎂酸鉛類（PbNbMgO3），原材料有氧化鈮、氧化鎂、氧化鉛、、碳酸鍶、氧化鑭等。電極是銀和低溫玻璃材料。工藝流程圖如下：配料--混合磨細--預(yù)燒--二次磨細--造粒--成型--排塑--燒結(jié)成瓷--外形加工--被電極--高壓極化--老化測試。一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。二、混合磨細：目的是將各種原料混勻磨細，為預(yù)燒進行完全的固相反應(yīng)準備條件.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。三、預(yù)燒：目的是在高溫下，各原料進行固相反應(yīng)，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會直接影響燒結(jié)條件及最終產(chǎn)品的性能。四、二次細磨：目的是將預(yù)燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細，為成瓷均勻性能一致打好基礎(chǔ)。五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。方法可以手工進行但效率較低，高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。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。七、排塑：目的是將制粒時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。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、老化測試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項指標，看是否達到了預(yù)期的性能要求。壓電陶瓷的制造特點是在直流電場下對鐵電陶瓷進行極化處理，使之具有壓電效應(yīng)。一般極化電場為3～5kV/mm，溫度100～150°C，時間5～20min。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，其機電偶合系數(shù)可高達0.313～0.694。壓電陶瓷的應(yīng)用：1.低溫燒結(jié)壓電陶瓷材料的應(yīng)用：低溫燒結(jié)壓電陶瓷材料的研究,開始僅以抑制PbO揮發(fā),保證材料性能達到設(shè)計指標為目的.發(fā)展到20世紀90年代以來,除了以上目的之外,使其應(yīng)用于疊層壓電陶瓷器件是其又一目的.特別值得重視的是可用其研制與開發(fā)?，F(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫囊淮涡源蚧饳C，也用到壓電效應(yīng)；但它使用的不是水晶，而是壓電陶瓷。第二次世界大戰(zhàn)后，日本成功的將壓電效使用在了打火機上；利用壓電陶瓷的壓電原理在瞬間產(chǎn)生1萬伏左右的高壓，使產(chǎn)生的電火花（以前的打火機用打火石來產(chǎn)生火花）點燃氣體（丁烷）。所以壓電打火機不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長，例如一種鈦鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機可使用100萬次以上。3.換能器換能器是將機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機械振動的器件壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點，研制運用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發(fā)射系統(tǒng)等。4.傳感器上的應(yīng)用（1）壓電式壓力傳感器：壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時要特別注意，避免漏電。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復(fù)較慢。（2）壓電式加速度傳感器：壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。測量時，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當傳感器受振動力作用時，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當加速度頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進適當?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。5.壓電驅(qū)動器：壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或機械運動，聚合物驅(qū)動器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實際應(yīng)用，還需要進行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進行大量的探索。展望：隨著高新技術(shù)的發(fā)展，壓電陶瓷的應(yīng)用必將越來越廣闊。