《先進(jìn)陶瓷材料及進(jìn)展》 第8章鐵電壓電陶瓷

1、第八章 鐵電壓電陶瓷,8.1 壓電陶瓷,重點(diǎn)掌握的幾個(gè)概念： 壓電效應(yīng) 預(yù)極化 準(zhǔn)同型相界 軟性取代 硬性取代,石英晶體壓電模型 (a) 不受力時(shí)； (b) x軸方向受力； (c) y軸方向受力,當(dāng)外力f=0時(shí)，壓電陶瓷表面存在一層表面電荷，其大小與壓電陶瓷的束縛電荷相等，符號(hào)與束縛電荷相反，因而晶體對(duì)外不顯示電性。,在外力f的作用下，壓電陶瓷產(chǎn)生形變，晶體的極化強(qiáng)度發(fā)生變化，因而表面束縛電荷變化，晶體對(duì)外顯示電性壓電效應(yīng)。,在壓電陶瓷上加上電場(chǎng)，設(shè)電場(chǎng)方向與極化方向相同，則晶體的極化加強(qiáng)，晶體沿極化方向伸長，產(chǎn)生了形變逆壓電效應(yīng)。若加上反向場(chǎng)強(qiáng)，則晶體沿極化方向縮短；若加上交變電場(chǎng)，則晶體產(chǎn)

2、生振動(dòng)。,晶體具有壓電性的必要條件是晶體不具有對(duì)稱中心。 所有鐵電單晶都具有壓電效應(yīng)。 對(duì)于鐵電陶瓷來說，雖然各晶粒都有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)，但由于晶粒和電疇分布無一定規(guī)則，各方向幾率相同，使p =0，因而不顯示壓電效應(yīng)，故必須經(jīng)過人工預(yù)極化處理，使p 0，才能對(duì)外顯示壓電效應(yīng)。 陶瓷的壓電效應(yīng)來源于材料本身的鐵電性，所有壓電陶瓷也應(yīng)是鐵電陶瓷。,陶瓷的預(yù)極化示意圖,壓電材料分類： 壓電單晶 壓電陶瓷 壓電聚合物 壓電復(fù)合材料,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),1. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu),abo3： a：1,2,3 na，k，ba2+，la3+

3、b：5,4,3 nb5+,ti4+，fe3+,2. 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?。?氧八面體中心因所處位置的對(duì)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,3. 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(shí)，li,nb偏離中心位置，沿c軸出現(xiàn)電偶極矩,4. 鉍層狀結(jié)構(gòu),bi4ti3o12,鉛基壓電陶瓷,1. 單元系 2. 二元系 3. 三元系,單元系,pbtio3 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體，tc

4、高，480。 各向異性大（c/a1.063），晶界能高，難以制備致密、機(jī)械強(qiáng)度高的陶瓷。 矯頑場(chǎng)強(qiáng)較大，預(yù)極化困難。提高極化溫度有利于極化，但抗電強(qiáng)度下降，易擊穿。 摻入少量稀土、nio、mno2等，可促進(jìn)燒結(jié)。 晶粒大小與機(jī)電耦合系數(shù)k有關(guān)。,batio3系與pbtio3系壓電陶瓷 自從18421843年之間美、日、蘇聯(lián)學(xué)者各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)batio3 中存在異常的介電現(xiàn)象，1847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(shí)間內(nèi)，batio3陶瓷是主要的壓電陶瓷材料，但目前其作用

5、范圍在不斷縮小。,pbnb2o6 鎢青銅結(jié)構(gòu) tc高（570） 壓電系數(shù)的各向異性大，d33/d3110 機(jī)械品質(zhì)因素特別低（q11）,主要用于超聲缺陷檢測(cè)、人體超身診斷及水聽器等,鉛基二元系壓電陶瓷,人們?cè)?853年起開始試制成功pbzro3-pbtio3二元系固溶體壓電陶瓷，其各項(xiàng)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。 下面主要介紹二元系壓電陶瓷pzt系陶瓷。,pbzro3-pbtio3系陶瓷的相結(jié)構(gòu),pbzro3和pbtio3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較： pbzro3 pbtio3 結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) tc

6、(立方順電) 230（正交晶系） 480 類別 反鐵電體 鐵電體 1(1.063) tc 立方順電相 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，可表示為pb(zrxti1-x)o3，簡(jiǎn)稱pzt瓷。,pzt瓷的摻雜改性: 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。,a. 等價(jià)a位取代 等價(jià)取代是指用ca2+、sr2+、mg2+ 等二價(jià)離子取代pb2+，結(jié)果使pzt瓷的，kp ，d，從而提高pzt瓷的壓電性能。,b. 軟性取代改

7、性（高價(jià)缺位取代） 所謂“軟”是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)ec ，因而在電場(chǎng)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：,c. 硬性取代改性（低價(jià)取代） 硬性取代采用k+，na+取代a位的pb2+離子，fe2+、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 、kp

8、、tg 、qm （抗老化性 ）、v ,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(shí)v ，這就使預(yù)極化場(chǎng)強(qiáng)不能太高，從而ps 這是k p 的一個(gè)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(diǎn)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 。,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,三元系鉛基壓電陶瓷,a、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(shí)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(jià)不一定為4的元素（包括zr和ti）統(tǒng)計(jì)地均勻分布，改變其元素種類與配料，就可調(diào)整、優(yōu)