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1、特种陶瓷七功能陶瓷12015全解正压电效应：正压电效应：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量异号产生等量异号产生等量异号电荷电荷电荷电荷。由由由由形变形变形变形变产生电极化产生电极化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、闪锌矿水晶、罗息盐、闪锌矿水晶、罗息盐、闪锌矿).).力力力力 (/(/形变形变形
2、变形变S)S)产生电荷产生电荷产生电荷产生电荷E(E(/极化极化极化极化P)P)逆压电效应逆压电效应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。成比例的变形或机械应力。S=dS=dt tE.E.电场电场电场电场E(/E(/极化极化极化极化P)P)产生力产生力产生力产生力 (/(/形变形变形变形变S)S)电致伸缩效应电致伸缩效应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，需考虑非线性场作用下，需考虑非线性场作用下，需考虑非线性.
3、S=vES=vE2 2热释电效应：热释电效应：热释电效应：热释电效应：在热平衡条件下，电介质因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在热平衡条件下，电介质因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，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，由其电不能显现出来。当温度发
4、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温度变化温度变化引起电介质的引起电介质的引起电介质的引起电介质的极化极化极化极化状态的改变状态的改变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，使电介电介电介电介质对外显电性质对外显电性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具有自发极化的晶体具有自发极化的晶体）铁电性：铁电性：铁电性：铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外
5、电场作用下，在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极自发极自发极自发极化能重新取向化能重新取向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）（具有自发极化的晶体）（具有自发极化的晶体）+-1.2自发极化自发极化+-+-未加应力未加应力加应力不产加应力不产生极化生极化加应力产生极化，加应力产生极化，正负
6、电荷中心分开正负电荷中心分开(1)不具有自发极化特性，不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在但为不对称中心结构，在外力的作用下，产生极化。外力的作用下，产生极化。+-+未加应力未加应力加应力正负电荷中心不分开，不产生极化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结构含有正负离子(2)含有对称中心的结构含有对称中心的结构-(3)无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构-+-+-+-+极极化化轴轴C-+-+纤锌矿纤锌矿(ZnS)结构在（结构在（010）上投影）上投影表示晶体极性链表示晶体极性链的两种方法的两种方法例例1：具有极性轴或结构本身具有
7、自发极化的结构：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构-+-+固固有有偶偶极极子子正正电电荷荷层层与与负负电电荷荷层层交交替替排排列列-+-+-+-+例例2：由热运动引起的自发极化：由热运动引起的自发极化铁电体的位移性理论：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，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。晶体结构发生了畸变。钛酸钡的结构：钙钛矿型结构钛酸钡的结构：
8、钙钛矿型结构 等轴晶系（大于等轴晶系（大于120oC）：晶胞常数：晶胞常数：a=4.01A氧离子的半径：氧离子的半径：1.32A钛离子的半径：钛离子的半径：0.64A钛离子处于氧八面体中，钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：两个氧离子间的空隙为：4.0121.32=1.37A钛离子的直径：钛离子的直径：20.64=1.28A结果：结果：氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中较高温度时，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心的某一个位
9、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。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，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
10、方晶体。轻微畸变，由立方变为四方晶体。钛、氧离子的位移钛、氧离子的位移固固有有偶偶极极子子自发极化：自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内晶体的内部结构引起。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。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电场，这些介质的极化强度为0。电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列形
11、成一个畴。形成一个畴。无外加电场时无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整，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。个晶体表现为电中性，宏观上无极性。外电场作用时外电场作用时，沿电场方向极化畴长大沿电场方向极化畴长大，逆电场方，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，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极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结，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。场只有电子与离子的极化效应
12、，和一般电介质一样。由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，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部分是一个电畴，这样的热释电体大部分为一个电畴。畴。由热运动引起的自发极化的晶体，产生多畴，有居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，这类晶体具有里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和热释电性和铁电性铁电性。两种极性（自发极化）晶体的
13、比较：两种极性（自发极化）晶体的比较：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,-6,23,423(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具有压电性材料不一定铁电体具有
14、压电性材料不一定铁电体例如：例如：具有压电性材料又有铁电性的材料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（石英、纤维锌矿（ZnS)仅有仅有铁电性。铁电性。电介质的极化强度与施加电场呈正比：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。二者典型的关系如下图：有明显的滞后。二者典型的关系如下图：1.铁电体铁电体1.3铁电性铁电性铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外
15、电场铁电性：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。度间的关系呈电滞回线特征。Ps：无电场时单畴：无电场时单畴的自发极化强度；的自发极化强度；Pr：剩余极化强度；：剩余极化强度；EC：矫顽场强。：矫顽场强。P铁电陶瓷的电滞回线铁电陶瓷的电滞回线EOABECPrCPs自发极化：自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶极子混乱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
16、矩，形成永久偶极矩。这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。种电偶极子在无任何外场作用时自发排列。极性晶体：极性晶体：具有自发极化特性的晶体具有自发极化特性的晶体。铁电体：铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化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体。即具有铁电性晶体。方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。铁电晶体的特点：铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化极性晶体、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。改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。铁电晶体的两大类：铁
17、电晶体的两大类：有序有序无序型铁电体（自发极化同个无序型铁电体（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）。类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系）。3.铁电体的性能及应用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）性能（2）应用）应用热释电材料的应用热释电材料的应用透明铁电材料的应用透明铁电材料的应用铁电电容器的应用铁电电容器的应用独石电容器结构图独石电容器结构图陶瓷介质陶瓷介质中间中间Ni电极电极底层底层Ag电极电极
18、PbAg内内电极电极片式结构片式结构外层纯外层纯Sn电极电极带引线结构带引线结构环氧包封环氧包封镀锡铜线镀锡铜线印刷电极印刷电极压电效应：压电效应：正压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切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。在晶体两端将出现正负电荷。逆压电效应：逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，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。则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。1.压电效应压电效应1.4压电性压电性极化方向极化方向+极化方向
19、极化方向+自由电荷自由电荷释放电荷释放电荷极化方向极化方向+正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：D=dTd:压电常数压电常数逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：系：S=dEd:压电常数压电常数注：正、逆压电效应的压电常数一样。注：正、逆压电效应的压电常数一样。2.压电材料的性能压电材料的性能（1）机电偶合系数）机电偶合系数（2）机械品质因数）机械品质因数（3）频率常数）频率常数（4）压电常数）压电常数（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。）弹性模量、相对介
20、电常数、居里温度等。介电质的基本性能：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：特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高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阻抗频率频率反谐振反谐振谐振谐振压电振子：极化后的压电体。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。率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。(1)谐振特性谐振特性谐振频率：形成驻波的频率。谐振频率：形成驻波的频率。形成驻波的条件：形成驻波的条件：L=n/2振动频率：振动频率：fr=u/
21、（u-声波的传播速度与物体的密度声波的传播速度与物体的密度和弹性模量有关）和弹性模量有关）谐振线度尺寸与频率的关系：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、三次等谐振频率为基频，其它为二、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(电流最大电流最大)的频率的频率fm附近附近.在两个谐振之间有一反谐振在两个谐振之间有一反谐振fa，电流与电压同相，发生，电流与电压同相，发生在振子阻抗最大在振子阻抗最大(输出电压最大输出电压最大)的频率的频率fn附近。附近。C1C0L1R通过该等效电路图求出这一电路
22、的阻抗绝对值，对其求通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值，对其求导，在导，在R=0时，求出时，求出fm,fnfm=1/2(L1C1)1/2(串联谐振）串联谐振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C1)(并联谐振）并联谐振）此时有：此时有：fm=fr,fn=fa压电振子的等效电路压电振子的等效电路电感的意义：当某一振子在交电感的意义：当某一振子在交变电场的作用下，发生形变，变电场的作用下，发生形变，引起另一压电振子形变，从而引起另一压电振子形变，从而感应出电荷。其原因是由于振感应出电荷。其原因是由于振子的惯性引起，可等效为振子子的惯性引起，可等效为振子的质量，而电容可等效为弹性的质量，而电
23、容可等效为弹性常数，电阻由内摩擦引起。常数，电阻由内摩擦引起。（2）压电振子的振动模式）压电振子的振动模式伸缩振动、切变振动、弯曲振动伸缩振动、切变振动、弯曲振动薄片型薄片型极极化化方方向向薄长片薄长片极化方向极化方向厚度振动厚度振动径向振动径向振动轮廓振动或轮廓振动或长度振动长度振动横向效应横向效应沿轴向振动沿轴向振动厚度切厚度切变振动变振动伸缩振动：伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。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。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。极化方向与电场方向垂直时产生的振动。包括平
24、面切变振动、厚度切变振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。弹性波传播方向与极化轴平行。横向效应横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。：弹性波传播方向与极化轴垂直。弯曲振动：弯曲振动：具有两种以上激励电极的振子，在极化方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。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。包括厚度弯曲和横向弯曲。各种振动模式可达到的频率范围各种振动模式可达到的频率范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
25、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4.压电材料及其应用压电材料及其应用钛酸钡钛酸钡钛酸铅钛酸铅锆酸铅锆酸铅钛锆酸铅钛锆酸铅非钙钛矿型：非钙钛矿型：焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝（1）材料）材料钙钛钙钛矿型矿型（2）应用应用电声器：扬声器、送话筒、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雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高压电源：变
26、压器高压引线高压引线压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器垫块垫块外外壳壳冲击块冲击块VV2V2输入输入输出输出伸缩振动伸缩振动压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器弯曲振动弯曲振动剪切振动剪切振动全波模谐振全波模谐振应力分布应力分布位移分布位移分布应力分布应力分布位移分布位移分布半波模谐振半波模谐振+单片陶瓷压电膜单片陶瓷压电膜压电换能器压电换能器+串联型串联型双膜片压电振子双膜片压电振子+_+_V等效电路等效电路并联型并联型+双膜片压电振子双膜片压电振子+_+_压电陶瓷滤波器压电陶瓷滤波器mVfr2fa2fr1fa1fmV1221f损耗损耗在频率附近的信号衰在频率附近的信号衰减最小减最小fa2（2的反谐的反谐
27、振）振）=fr1（1的谐振）的谐振）3 压电陶瓷的生产工艺（以压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）陶瓷为例）典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅下面以下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷为例介绍压电陶陶瓷为例介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。瓷的必要工序及制作方法。压电陶瓷生产的主要工艺流程：压电陶瓷生产的主要工艺流程：配料配料球磨球磨过滤、干燥过滤、干燥预烧预烧二次球磨二次球磨过滤、过滤、干燥干燥过筛过筛成型成型排塑排塑烧结烧结精修精修上电极上电极烧银烧银极化极化测试。测试。（1）原料处理原料处理原料的纯度原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，是制备优良压电陶瓷的首
28、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，希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如如 Pb3O4（或（或PbO）、）、ZrO2和和TiO2等，等，若纯度低，引若纯度低，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。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，通常希望烧粉碎，通常希望颗粒度颗粒度在在2um以下。以下。（2）预烧）预烧经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，
29、其目的是为了使化学反应充分进行。是为了使化学反应充分进行。实验表明实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽，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），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。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预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温：线性膨胀（室温400）、固相
30、反应（）、固相反应（400750）、收缩）、收缩（750850）和晶粒生长（）和晶粒生长（800900 以上）。以上）。（3）成型和排塑）成型和排塑v简单形状的制品通过简单形状的制品通过模压法成型模压法成型，不均匀截面的条形，不均匀截面的条形制品可以通过制品可以通过挤压法成型挤压法成型，薄板用，薄板用流延法和轧膜法成流延法和轧膜法成型型，大的圆环和更复杂的形状用，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型注浆法成型。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：聚乙烯醇为：聚乙烯醇15%，甘油，甘油7%，酒精，酒精3%，蒸馏水，蒸馏水75%；在；在9
31、0下搅拌溶化）。下搅拌溶化）。v成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。或排胶。通常排塑温度通常排塑温度800850，保温时间，保温时间1小时左小时左右。右。（4）烧结）烧结v烧结温度范围主要是由化学组成决定的。烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范低于烧结范围围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。，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如果超过烧结范围的上限，则由于出现过多液相，会，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，发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此
32、外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。v烧结过程中烧结过程中PbO的挥发的挥发对产品质量影响很大。由于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、加气氛片法等挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。措施加以解决。（5）上电极）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。烧成的陶瓷经精修、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，一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在并在600800下烧结
33、，使银浆中的氧化银还原下烧结，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作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。理。（6）极化）极化v压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好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，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
34、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。极化的充分进行。4 压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用v压电陶瓷的压电性是居里兄弟于压电陶瓷的压电性是居里兄弟于1880年年在单晶体上在单晶体上发现的。发现的。v1940年以前年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种，只有单晶体压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。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第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年年用陶用陶瓷制造的瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但留声机拾音器，但BaTiO3存
35、在压电存在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。性弱和压电性随温度变化大的缺点。v1954年年美国美国B.贾菲等人发现了贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，它使在）固溶体系统，它使在BaTiO3时代不能制作的时代不能制作的器件成为可能。器件成为可能。v70年代年代，人们又研制出，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。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目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为，大致可分为压电压电振子振子和和压电换能器压电换能器两个方面。两个方面。前者前者主要是利用振子本主要是利用振子
36、本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，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。机械品质因数高。后者后者主要是将一种能量形式转成另主要是将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。一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。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
37、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，压电继电器等压电陶瓷应用（一）压电陶瓷应用（一）压电陶瓷应用（二）压电陶瓷应用（二）5 压电超声换能器的应用与发展压电超声换能器的应用与发展5.1 引言引言v超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。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最早的超声换能器是P
38、.郎之万郎之万(P.Langevin)在在1917年年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石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。英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。v1933年年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、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稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。能器。v到了到了50年代，年代，由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、由于电致伸缩材料、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锆钛酸铅压电陶瓷的研制成
39、功，使郎之万型超声换能器再度兴起。器再度兴起。v目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、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，近年来取得了很关键部件，国内外均大力研究，近年来取得了很多成就。多成就。v本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。5.2 压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类 压电超声换能器的种类很多：压电超声换能器的种类很多：
40、v按按组组成成超超声声换换能能器器的的压压电电元元件件形形状状分分为为薄薄板板形形、圆圆片片形形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；v按振动模式按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；v按伸缩振动的方向按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等；分为厚度、切向、纵向、径向等；v按按压压电电转转换换方方式式分分为为发发射射型型(电电-声声转转换换)、接接收收型型(声声-电电转换转换)、发射、发射-接收复合型等。接收复合型等。5.3 压电换能器的应用压电换能器的应用 压压电电换换能能器器的的应应用
41、用十十分分广广泛泛，它它按按应应用用的的行行业业分分为为工工业业、农农业业、交交通通运运输输、生生活活、医医疗疗及及军军事事等等；按按实实现现的的功功能能分分为为超超声声加加工工、超超声声清清洗洗、超超声声探探测测、检检测测、监监测测、遥遥测测、遥遥控控等等；按按工工作作环环境境分分为为液液体体、固固体体、气气体体、生生物物体体等等；按按性性质质分分为为功功率率超超声声、检检测超声、超声成像等。测超声、超声成像等。（1）压电陶瓷变压器）压电陶瓷变压器v压压电电变变压压器器是是利利用用极极化化后后压压电电体体的的压压电电效效应应来来实实现现电电压压输输出出的的。其其输输入入部部分分用用正正弦弦电
42、电压压信信号号驱驱动动，通通过过逆逆压压电电效效应应使使其其产产生生振振动动，振振动动波波通通过过输输入入和和输输出出部部分分的的机机械械藕藕合合到到输输出出部部分分，输输出出部部分分再再通通过过正正压压电电效效应应产产生生电电荷荷，实实现现压压电电体体的的电电能能-机机械械能能-电电能能的的两两次次变变换换，在在压压电电变变压器的谐振频率下获得最高输出电压。压器的谐振频率下获得最高输出电压。v与与电电磁磁变变压压器器相相比比，这这具具有有体体积积小小，质质量量轻轻，功功率率密密度度高高，效效率率高高，耐耐击击穿穿，耐耐高高温温，不不怕怕燃燃烧烧，无无电电磁磁干干扰扰和和电电磁磁噪噪声声，且且
43、结结构构简简单单、便便于于制制作作、易易批批量量生生产产，在在某某些些领领域域成成为为电电磁磁变变压压器器的的理理想想替替代代元元件件等等优优点点。此此类类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。（2）超声马达）超声马达v 超超声声马马达达是是把把定定子子作作为为换换能能器器，利利用用压压电电晶晶体体的的逆逆压压电电效效应应让让马马达达定定子子处处于于超超声声频频率率的的振振动动，然然后后靠靠定定子子和和转转子子间间的的摩摩擦擦力力来来传传递递能能量量，带带动动转转子转动。子转动。v超超声声马马达达体体积积小小，力力矩矩大大，分分辨辨率率
44、高高，结结构构简简单单，直直接接驱驱动动，无无制制动动机机构构，无无轴轴承承机机构构，这这些些优优点点有有益益于于装装置置的的小小型型化化。它它们们广广泛泛应应用用于于光光学学仪仪器器、激激光光、半半导导体体微微电电子子工工艺艺、精精密密机机械械与与仪仪器器、机机器人、医学与生物工程领域。器人、医学与生物工程领域。(3)超声波清洗超声波清洗v 超超声声清清洗洗的的机机理理是是利利用用超超声声波波在在清清洗洗液液中中传传播播时时的的空空化化、辐辐射射压压、声声流流等等物物理理效效应应，对对清清洗洗件件上上的的污污物物产产生生的的机机械械起起剥剥落落作作用用，同同时时能能促促进进清清洗洗液液与与污
45、污物物发发生生化化学学反应，达到清洗物件的目的。反应，达到清洗物件的目的。v清清洗洗所所用用的的频频率率根根据据清清洗洗物物的的大大小小和和目目的的可可选选用用10500 kHz，一一般般多多为为2050kHz。随随着着频频率率的的增增加加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。v超超声声清清洗洗在在各各种种工工业业、农农业业、家家用用设设备备、电电子子、汽汽车车、橡橡胶胶、印印刷刷、飞飞机机、食食品品、医医院院和和医医学学研研究究等等行行业业得得到到了越来越广泛的应用。了越来越广泛的应用。(4)超声焊接超声焊接v超声焊接有超声焊接有超声金属焊接超声金
46、属焊接和和超声塑料焊接超声塑料焊接两大类。两大类。其其中中超声塑料焊接技术超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利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。完成焊接工作。v超声塑料焊接超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，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，缩短了加工另外，
47、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。时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。(5)超声加工超声加工v 把把微微细细磨磨料料随随超超声声加加工工工工具具一一起起以以一一定定静静压压力力加加在在工工件件上上，就就能能加加工工出出与与工工具具相相同同的的形形状状。超超声声工工具具使使工工件件表表面面的的磨磨料料以以相相当当大大的的冲冲击击力力连连续续冲冲击击，破破坏坏超超声声辐辐射射部部位位，使使材材料料破破碎碎而而达达到到去去除除材料的目的。材料的目的。v超超声声加加工工主主要要应应用用于于宝宝石石、玉玉器器、大大理理石石、玛玛瑙瑙、硬硬
48、质质合合金金等等脆脆硬硬材材料料的的加加工工以以及及异异型型孔孔和和细细深深孔孔的的加加工工。此此外外，在在普普通通切切削削工工具具上上加加超超声声波波振振动动时，也可起到提高精度和效率的作用。时，也可起到提高精度和效率的作用。（6）超声减肥）超声减肥v利利用用超超声声波波的的空空化化效效应应和和微微机机械械振振动动，将将人人体体表表皮皮下下多多余余的的脂脂肪肪细细胞胞破破碎碎、乳乳化化后后排排出出体体外外，达达到到减减肥肥、塑塑形形的的目目的的。这这是是国国际际上上90年年代代发发展展起起来来的的一一项项新新技技术术。意意大大利利的的Zocchi首首次次将将超超声声去去脂脂用用于于临临床床，
49、并并获获得得成成功功，为为整整形形、美美容容开开创创了了先先河河。近近10年年来来超超声声去去脂脂技技术在国内外得以迅速发展。术在国内外得以迅速发展。（7）超声育种）超声育种v对对植植物物种种子子进进行行适适当当频频率率和和强强度度的的超超声声波波照照射射，可可提提高高种种子子的的发发芽芽率率，降降低低霉霉烂烂率率，促促进进种种子子的的生生长长，提提高高植植物物生生长长速速度度。据据资资料料介介绍绍，超超声声波波可可使使某某些些植植物物种种子子生生长速度提高长速度提高23倍。倍。（8）电子血压计）电子血压计v利利用用压压电电换换能能器器接接收收血血管管的的压压力力，当当气气囊囊加加压压紧紧压压
50、血血管管时时，因因外外加加压压力力高高于于血血管管舒舒张张压压力力，压压电电换换能能器器感感受受不不到到血血管管的的压压力力；而而当当气气囊囊逐逐渐渐泄泄气气，压压电电换换能能器器对对血血管管的的压压力力随随之之减减小小到到某某一一数数值值时时，二二者者的的压压力力达达到到平平衡衡，此此时时压压电电换换能能器器就就能能感感受受到到血血管管的的压压力力，该该压压力力即即为为心心脏脏的的收收缩缩压压，通通过过放放大大器器发发出出指指示示信信号号，给给出出血血压压值值。电电子子血血压压计计由由于于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。（9）遥测遥控）遥测遥控