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1、第一节铁电性与压电性铁电体热释电体10压电体20介电体321.1概述晶体按对称性可分为晶体按对称性可分为3232个晶族个晶族，其中有，其中有对称中心的对称中心的1111个晶族个晶族没有压电效应没有压电效应，而无，而无对称中心的对称中心的2121个晶个晶族中的族中的2020个呈现压个呈现压电效应电效应。这。这2020个晶个晶族中的族中的1010个具有热个具有热释电效应释电效应晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象.P=(1 o)E=o(r-1)E第1页/共108页正压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将产生等量异号产生等
2、量异号电荷电荷。由由形变形变产生电极化产生电极化。P=dP=d (不具有对称中心的晶体不具有对称中心的晶体)()(水晶、罗息盐、闪锌矿水晶、罗息盐、闪锌矿).).力力 (/(/形变形变S)S)产生电荷产生电荷E(E(/极化极化P)P)逆压电效应逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。S=dS=dt tE.E.电场电场E(/E(/极化极化P)P)产生力产生力 (/(/形变形变S)S)电致伸缩效应电致伸缩效应：电介质在大外力电介质在大外力/场作用下，需考虑非线性场作用下，需考虑非线性.S=vES=vE2 2热释电效应：热释电效应：在热平衡条件下，电介质因
3、自发极化要产生表面束缚电在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚电荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补偿，荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补偿，其电不能显现出来。当温度发生变化，由其电不能显现出来。当温度发生变化，由温度变化温度变化引起电介质的引起电介质的极化极化状态的改变状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿，使不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿，使电介电介质对外显电性质对外显电性。P Ps s=p=pT T（具有自发极化的晶体具有自发极化的晶体）铁电性：铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，在一定温度范围
4、内具有自发极化，在外电场作用下，自发极自发极化能重新取向化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。（具有自发极化的晶体）（具有自发极化的晶体）第2页/共108页+-1.2自发极化+-+-未加应力加应力不产生极化加应力产生极化，正负电荷中心分开(1)不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的作用下，产生极化。第3页/共108页+-+未加应力加应力正负电荷中心不分开，不产生极化结构含有正负离子(2)含有对称中心的结构-第4页/共108页(3)无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构-+-+-+-+极化轴C-+-+纤锌矿(ZnS)结构在
5、（010）上投影表示晶体极性链的两种方法例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构-+-+固有偶极子正电荷层与负电荷层交替排列-+-+-+-+第5页/共108页例2：由热运动引起的自发极化铁电体的位移性理论：自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 第6页/共108页等轴晶系（大于120oC）：晶胞常数：a=4.01A氧离子的半径：1.32A钛离子的半径：0.64A钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：4.0121.32=1.37A钛离子的直径
6、：20.64=1.28A第7页/共108页结果：氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。第8页/共108页 钛、氧离子的位移固有偶极子自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构
7、引起。在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外电场，这些介质的极化强度为0。第9页/共108页电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列形成一个畴。第10页/共108页无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。第11页/共108页由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶
8、体的内部电场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是一个电畴，这样的热释电体大部分为一个电畴。由热运动引起的自发极化的晶体，产生多畴，有居里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和铁电性。两种极性（自发极化）晶体的比较：第12页/共108页 介电晶类（介电晶类（32种）种）不具有对称不具有对称中心的晶类中心的晶类 （21种）种）其中压电晶其中压电晶类类 （20种）种）极性晶类（热极性晶类（热释电晶类）释电晶类）（10种）种）1，2，3，4，6，m，mm2.4mm,3m,6mm 非极性晶类非极性晶类 （11种）种）222,-4,-6,23,
9、423(不具有压不具有压电性）电性）,-43m,422,-42m,32,622,-6m2 具有对称中心的晶类具有对称中心的晶类 （11种）种）-1,2/m,4/m,-3,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/mmm,m3m,-3m第13页/共108页具有压电性材料不一定铁电体例如：具有压电性材料又有铁电性的材料BaTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、Pb(Co1/3Nb2/3)O3、Pb(MnSb)O3、Pb(SbNb)O3。-石英、纤维锌矿（ZnS)仅有铁电性。第14页/共108页电介质的极化强度与施加电场呈正比：P=o eE铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具有明显的滞后。二者典
10、型的关系如下图：1.铁电体1.3铁电性铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。第15页/共108页Ps：无电场时单畴的自发极化强度；Pr：剩余极化强度；EC：矫顽场强。P铁电陶瓷的电滞回线EOABECPrCPs第16页/共108页自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶极子混乱排列被局部电场所克服，从而产生自发极化，晶体中每一个晶胞里存在固有的电偶极矩，形成永久偶极矩。这种电偶极子在无任何外场作用时自发排列。极性晶体：具有自发极化特性的晶体。铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动晶
11、体。即具有铁电性晶体。铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。铁电晶体的两大类：有序无序型铁电体（自发极化同个别离子的有序化相联系）；位移型铁电体（自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系）。第17页/共108页3.铁电体的性能及应用电滞回线电滞回线介电特性介电特性非线性非线性晶界效应晶界效应（1）性能第18页/共108页（2）应用热释电材料的应用透明铁电材料的应用铁电电容器的应用第19页/共108页独石电容器结构图陶瓷介质中间Ni电极底层Ag电极PbAg内电极片式结构外层纯Sn电极第20页/共108页带引线结构环氧包封镀锡铜线
12、印刷电极第21页/共108页压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。1.压电效应1.4压电性第22页/共108页极化方向+极化方向+自由电荷释放电荷极化方向+正压电效应逆压电效应第23页/共108页正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：D=dTd:压电常数逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：S=dEd:压电常数注：正、逆压电效应的压电常数一样。第24页/共108页2.压电材料的性能压电材料的性能（1）机电偶合系数（2）机
13、械品质因数（3）频率常数（4）压电常数（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高第25页/共108页3.压电振子谐振特性及振动模式压电振子谐振特性及振动模式阻抗频率反谐振谐振压电振子：极化后的压电体。谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。(1)谐振特性第26页/共108页谐振频率：形成驻波的频率。形成驻波的条件：L=n/2振动频率：fr=u/（u-声波的传播速度与物体的密度和弹性模量有关）谐振线度尺寸与频率的关系：L=n（u/fr）/2n=1,频率为基频，其它为二
14、、三次等谐振当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大)的频率fm附近.在两个谐振之间有一反谐振fa，电流与电压同相，发生在振子阻抗最大(输出电压最大)的频率fn附近。第27页/共108页C1C0L1R通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值，对其求导，在R=0时，求出fm,fnfm=1/2(L1C1)1/2(串联谐振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C1)(并联谐振）此时有：fm=fr,fn=fa压电振子的等效电路电感的意义：当某一振子在交变电场的作用下，发生形变，引起另一压电振子形变，从而感应出电荷。其原因是由于振子的惯性引起，可等效为振子的质量，而电容可等效为弹性常数
15、，电阻由内摩擦引起。第28页/共108页（2）压电振子的振动模式伸缩振动、切变振动、弯曲振动薄片型极化方向薄长片极化方向厚度振动径向振动轮廓振动或长度振动横向效应沿轴向振动厚度切变振动第29页/共108页伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。弯曲振动：具有两种以上激励电极的振子，在极化方向与电场方向平行而施加的方式不同时，产生的振动。包括厚度弯曲和横向弯曲。第30页/共108页各种振动模式可达到的频率范
16、围振动模式振动模式 频频 率率 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G弯曲振动弯曲振动长度振动长度振动轮廓振动轮廓振动径向振动径向振动厚度振动厚度振动能阱振动能阱振动声表面波声表面波第31页/共108页4.压电材料及其应用压电材料及其应用钛酸钡钛酸铅锆酸铅钛锆酸铅非钙钛矿型：焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝（1）材料钙钛矿型第32页/共108页（2）应用电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器第33页/共108页高压引线压电陶瓷点火器垫块外壳冲击块V第34页/共1
17、08页V2V2输入输出伸缩振动压电陶瓷变压器第35页/共108页弯曲振动剪切振动第36页/共108页全波模谐振应力分布位移分布应力分布位移分布半波模谐振第37页/共108页+单片陶瓷压电膜压电换能器第38页/共108页+串联型双膜片压电振子+_+_V等效电路第39页/共108页并联型+双膜片压电振子+_+_第40页/共108页压电陶瓷滤波器mVfr2fa2fr1fa1fmV1221f损耗在频率附近的信号衰减最小fa2（2的反谐振）=fr1（1的谐振）第41页/共108页3 压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷
18、为例介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。压电陶瓷生产的主要工艺流程：配料球磨过滤、干燥预烧二次球磨过滤、干燥过筛成型排塑烧结精修上电极烧银极化测试。第42页/共108页（1）原料处理原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等，若纯度低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料则纯度要求相对低些。以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。第43页/共108页（2）预烧经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的是为了使化学反应充分进行。实验表明
19、，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温400）、固相反应（400750）、收缩（750850）和晶粒生长（800900 以上）。第44页/共108页（3）成型和排塑v简单形状的制品通过模压法成型，不均匀截面的条形制品可以通过挤压法成型，薄板用流延法和轧膜法成型，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型。v成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3
20、%，蒸馏水75%；在90下搅拌溶化）。v成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。通常排塑温度800850，保温时间1小时左右。第45页/共108页（4）烧结v烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。如果超过烧结范围的上限，则由于出现过多液相，会发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。v烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。第46页/共108页（5）上电极 烧成的陶瓷经
21、精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在600800下烧结，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。第47页/共108页（6）极化v压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好的压电陶瓷电畴无规则取向，故整体不呈压电性，只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显出压电性。v提高极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于极化的充分进行。第48页/共108页4 压电陶瓷的应用v压电陶瓷的压电性是居里兄弟于1880年在单晶体上发现的。v1940年以前，只
22、有单晶体压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。v第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。第49页/共108页v1954年美国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，它使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。v70年代，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。v目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为压电振子和压电换能器两个方面。前者主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。后者主要是将
23、一种能量形式转成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。第50页/共108页压电陶瓷的应用领域压电陶瓷的应用领域应用领域应用领域举举 例例 电电 源源雷达，电视显像管，高压电源，点火装置雷达，电视显像管，高压电源，点火装置信号转换信号转换振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器发射接收发射接收超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗信号处理信号处理滤波器，放大器，振荡器，混频器滤波器，放大器，振荡器，混频器传感计测传感计测加速度计，压力计，角速度计，红外探测器加速度计，压力计，角速度计，红外探测器存贮显示存贮
24、显示电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器其其 它它非线性元件，压电继电器等非线性元件，压电继电器等第51页/共108页压电陶瓷应用（一）第52页/共108页压电陶瓷应用（二）第53页/共108页5 压电超声换能器的应用与发展5.1 引言v超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。v最早的超声换能器是P.郎之万(P.Langevin)在1917年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。v1933年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。v到了50年代，由
25、于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能器再度兴起。第54页/共108页v目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得了很多成就。v本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。第55页/共108页 5.2 压电超声换能器的种类 压电超声换能器的种类很多：v按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；v按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；v按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向
26、、径向等；v按压电转换方式分为发射型(电-声转换)、接收型(声-电转换)、发射-接收复合型等。第56页/共108页5.3 压电换能器的应用 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等；按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等；按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。第57页/共108页（1）压电陶瓷变压器v压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正
27、压电效应产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换，在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。v与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产，在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。第58页/共108页（2）超声马达v 超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。v超声马达体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这些
28、优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。第59页/共108页 (3)超声波清洗v 超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反应，达到清洗物件的目的。v清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10500 kHz，一般多为2050kHz。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。v超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。第60页/共
29、108页 (4)超声焊接v超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。v超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。第61页/共108页 (5)超声加工v 把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具相同的形状。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位
30、，使材料破碎而达到去除材料的目的。v超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动时，也可起到提高精度和效率的作用。第62页/共108页（6）超声减肥v利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，达到减肥、塑形的目的。这是国际上90年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocchi首次将超声去脂用于临床，并获得成功，为整形、美容开创了先河。近10年来超声去脂技术在国内外得以迅速发展。（7）超声育种v对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射，可提高种子的发芽率，降低霉烂率，促进种子
31、的生长，提高植物生长速度。据资料介绍，超声波可使某些植物种子生长速度提高23倍。第63页/共108页（8）电子血压计v利用压电换能器接收血管的压力，当气囊加压紧压血管时，因外加压力高于血管舒张压力，压电换能器感受不到血管的压力；而当气囊逐渐泄气，压电换能器对血管的压力随之减小到某一数值时，二者的压力达到平衡，此时压电换能器就能感受到血管的压力，该压力即为心脏的收缩压，通过放大器发出指示信号，给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。（9）遥测遥控v在有毒、放射性等恶劣环境中，人们不能接近工作，需要远地控制；电视机，电风扇以及电灯等电器开关需要遥控，都可装上压电超声换能器
32、，通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收，把声信号转变成电信号使开关动作。第64页/共108页(10)交通监测v现代交通，自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。v如交通监理站安装一个收发兼用的超声换能器及其附属设备，当车辆通过时就有一个声脉冲返回，通过计数累计可得到日行车辆的数量。v给汽车尾部装一个收发两用的换能器，可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声换能器还可以监测噪声指数。(11)测距v超声测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器，测量脉冲时间间隔。目前的声尺可测10m以内的距离，精度可达千分之几。第65页/共108页(12)检漏及气
33、体流量检测v对于压力系统，在泄漏处，由于压力容器的内外压差造成射流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统，可在密闭系统内安放一个超声源，然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有，在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。v气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。(13)机器人成像信息采集v智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能，不仅要用超声换能器测距导盲，而且要成像辨识。所以，需要小型的超声换能器阵，以实现多种功能，这方面将成为一项重要的研究课题，吸引着众多的科学家为之奋斗。第66页/共108页5.5
34、 压电超声换能器的最新发展当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。（1）大功率换能器v 在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，铌镁酸铅(PMN)陶瓷是有发展前途的材料。PMN的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变，迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的，相应的物理常数取决于温度和频率，且需直流偏压，这就需要研究如何处理这些问题。v 在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器，在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。第67页/共108页（2）低压驱动换能器v许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生
35、大的振幅。锆钛酸铅(PZT)是广泛应用的电声转化材料。在20 kHz时，PZT在400kV/m的电场中，在共振条件下产生的振幅要达到微米级，需2000V的电压，5mm厚的压电陶瓷环。v在某些情况下(航空航天，便携式装置)，使用高压是一种缺陷。此时，大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时，极间距越小，所需电压也越小。第68页/共108页（3）高频换能器v频率大于1520MHz的B超在医疗上的应用已有十几年了，高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展。目前已经制成高达100MHz以上的高频压电陶瓷振子。v高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、
36、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。随着电子技术的发展，需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10亿只，而国内仅有极少数几家生产13MHz以下器件，产量约3亿只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以上的器件基木上依靠进口，市场缺口非常大。v随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进，谐振频率及特性的不断提高，它将越来越广泛地取代石英晶体器件，其应用量将以每年5%10%的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品，具有极大的推广应用前景，有良好的市场空间。第69页/共108页（4）压电薄膜换能
37、器v超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此，提高超声图像的分辨率己成为超声成像技术研究的方向之一。压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，用于超声成像可获得高分辨率的图像。（5）换能器的微型化v装置的微型化离不开动力元件的微型化，在动力微元件中，压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。v压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的 研 究 起 始 于 美 国，1992年 麻 省 理 工 学 院 的 Antia.M.Flynn等人研制出薄膜式微型压电超声马达。随后，日本T akeshi Morita等成功地研制了PZT压电薄膜圆柱微型超声马达。但微型压电超声
38、马达的设计和制作要求十分苛刻，目前仍处于实验研究阶段，离工业化还有一段距离。第70页/共108页（6）换能器的集成化v集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。电磁变压器体积大，并产生电磁噪声，而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。5.6 结束语v压电超声换能器是超声技术的关键部件，其应用日趋广泛。国际上对其研究十分活跃。近年来，我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视，参加研究的单位也越来越多，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与国外已很接近，甚至处于先进水平。但总的来说，与发达国家的差距仍较大，尤其是在技术的实用化和产业化方面。因此我们应根据市场需求，研究
39、与市场相适应的应用技术，使其真正成为推动生产力发展的科技动力。第71页/共108页第二节磁性材料具有强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。第72页/共108页磁性材料的分类按化学组成分类金属磁性材料、非金属(铁氧体)磁性材料按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性第73页/共108页按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料第74页/共108页磁化强度M宏观磁体
40、由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。第75页/共108页宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M：M=原子/V第76页/共108页磁化率 及磁导率 任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个附加的磁场M。第77页/共108页在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度B。B=o(H+M)o-真空磁导率=M/H-磁化率=B/H-磁导率第78页/共108页铁磁性物质具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁性物质
41、。磁矩的排列与磁性的关系铁磁性 m=10-2106磁场磁性的起源第79页/共108页亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系亚铁磁性 m=10-2106磁场如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。第80页/共108页顺磁性物质存在未成对电子永久磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。居里温度由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性 m=10-610-5磁场磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系
42、第81页/共108页反磁性物质不存在未成对电子没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。磁矩的排列与磁性的关系反磁性 m=-10-5-10-6磁场第82页/共108页反铁磁性物质FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各 种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。反铁磁性 m=10-210-5磁场磁矩的排列与磁性的关系第83页/共108页磁性材料及其应用第84页/共108页铁磁体磁化到技术饱和以后，使它的磁化强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。磁滞回线B B 剩磁剩磁HcHc矫顽
43、力矫顽力第85页/共108页在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料。磁导率大，矫顽力小(Hc100A/m)，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线软磁材料第86页/共108页主要软磁材料材料Mn-Zn、Li-Zn铁 氧 体、Ni-Zn、NiCuZn铁氧体、MnFe2O4、NiFe2O4第87页/共108页软磁材料应用软磁材料适用于交变磁场，可用来制造各种发电机和电动机的定子和转子；变压器，电感器，电抗器，继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯。第88页/共108页磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的铁氧体材料称为硬磁材料，
44、因而也称永磁材料或恒磁材料。磁滞回线包围面积大，(Hc400A/m)矫顽力大。硬磁材料磁滞回线硬磁材料磁滞回线 硬磁材料第89页/共108页永磁材料的应用主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功，或实现能量，信息的转换。第90页/共108页矩磁材料磁滞回线矩磁材料磁滞回线近似矩形的磁性材料，结晶各向异性，应力各向异性。第91页/共108页常用的矩磁材料在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65+125较宽范围使用的矩磁铁氧体有Li-Mn，Li-Ni，
45、Mn-Ni，Li-Cu等。第92页/共108页矩磁材料的应用矩磁材料的剩余磁感应强度Br接近于饱和值Bm，矫顽力不大。若矩磁材料在不同方向磁场下磁化，当电流为零时，总是处于+Bm和-Bm两种不同的剩磁状态。第93页/共108页由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两个数码，所以采用这种材料的两种剩磁状态+Bm和-Bm就可以分别代表两个数码，起到记忆作用。因此矩磁材料适于做信息存储元件的磁性开关。第94页/共108页压磁材料在磁化时,长度会发生伸长或缩短变化的材料称为压磁材料。这种材料具有电磁能与机械能或声能的相互转换功能，是重要的磁功能材料之一。传统磁致伸缩材料、Fe，Co，Ni基合金及铁
46、氧体、稀土磁致伸缩材料REFe2第95页/共108页压磁材料的应用制作超声发声器、接受器、超声探伤器、超声钻头、超声焊接器、滤波器、稳频器、谐波发声器、振荡器、微波检波器以及声纳、回声探测仪等。第96页/共108页旋磁材料能使作用于它的电磁波发生一定角度偏转的材料称为旋磁材料。旋磁材料基本上是铁氧体磁性材料，一般叫微波铁氧体材料。第97页/共108页旋磁材料Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-Al，Ni-Cr铁氧体，Li-Al，Li-Mg铁氧体等。第98页/共108页旋磁材料的应用用于与输送微波的波导管或传输线等组成的各种微波器件，主
47、要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备中。第99页/共108页磁性材料的制备铁氧体的制备过程铁氧体的制备过程第100页/共108页软磁铁氧体的制备过程v软磁铁氧体的制备过程如下图所示：称量混合煅烧球磨造粒成型烧结机械加工包装 v用于制备铁氧体的原料可以采用机械方法处理过的矿物原料，或用化学方法制备的高纯化合物。将氧化铁和其他氧化物或碳酸盐采用球磨的方法进行混合，然后进行煅烧。经煅烧的粉末在球磨罐中重新球磨以获得所要求的颗粒尺寸（通常为1um左右）。将煅烧后的粉末、黏合剂和表面活性剂等一起配成浆料，然后在喷雾干燥器中干燥造粒，形成50300um的颗粒，随后干压成型。经烧结好的产品经表面打磨
48、包装即成。第101页/共108页软磁铁氧体制备中的影响因素（1）组成v目前主要使用的软磁材料有Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体两大类。软磁铁氧体的配方是在充分研究各种成分的磁特性的基础上，按磁导率u、品质因素Q和温度系数u相互间最佳的关系来确定的。v Ni-Zn铁氧体的组成区大致范围是Fe2O350%70%，ZnO5%40%，NiO5%40%，至于最优组成点，则取决于使用性能的要求。第102页/共108页例如，Ni-Zn铁氧体在使用上分高起始磁导率、高频和高饱和磁感应三种，相应的最优配方有三个。v高起始磁导率的Ni-Zn铁氧体的最佳配方为：NiO 15%；ZnO 35%；Fe2O3 50%。
49、其相应的化学分子式为Ni0.3Zn0.7Fe2O4。v高频Ni-Zn铁氧体（使用频率范围为10100MHz），要求有高的电阻率，其最优配方大致为：NiO：2530%；ZnO：1520%；Fe2O3：50%。v高饱和磁感应强度Ni-Zn铁氧体的最佳配方点为：NiO：30%；ZnO：20%；Fe2O3：50%。第103页/共108页Mn-Zn铁氧体组成的确定原则上与Ni-Zn的相同。但由于Mn-Zn铁氧体的Mn和Fe离子容易变价，如果工艺条件控制不当，不仅会使配方点偏移，物理性能恶化，甚至变成非磁性材料。v因此在这一系统氧化铁的制造中，各工艺条件如烧结温度、气氛及冷却方式等控制极为重要。v此外，添
50、加剂对铁氧体的制备也有极为重要的作用。比如在Mn-Zn铁氧体中加入少量的WO3，可以促进晶粒生长，有利于提高磁导率；在铁氧体中添加2%5%的CuO，可以促进液相产生从而使烧结温度降低，制品密度提高。少量SiO2 的存在有利于烧结，但含量过多会导致性能变坏和制品开裂。第104页/共108页（2）烧结气氛 由于软磁铁氧体的制备中存在多种变价离子，因此气氛在制备过程中的影响极其复杂和重要。对于Mn铁氧体，在空气中烧结会使Mn形成三价离子而使磁性能显著变坏，由此所得的最大磁导率为138，起始磁导率为50。而在CO2中烧结所得材料的最大磁导率为3200，起始磁导率为228。（3）晶粒大小和气孔 如果其他