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1、6.2 6.2 压电材料压电材料电介质材料电介质材料电电介介质质：在在电电场场作作用用下下，能能建建立立极极化化的的物物质质。通通常常是是指指电电阻阻率率大大于于1010 cm的的一一类类在在电电场场中中以以感感应应而而并并非非传传导导的的方式呈现其电学性能的物质。方式呈现其电学性能的物质。电介质材料的主要效应：电介质材料的主要效应：压电性压电性-压电效应压电效应热释电性热释电性-热释电效应热释电效应铁电性铁电性-自发极化与铁电体自发极化与铁电体32种点群中，种点群中，21种点群没有对称中心，其中种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其种点群具有压电效应，其中只有中只有10种种点群具
2、有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。是铁电体。所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。自发极化自发极化压电效效应：在20种晶体上施加压力、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。热释电效效应：10种种极性晶体具有自发极化，晶体可以因温度变化
3、而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效效应铁电效效应：极性晶体具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是具有电滞回线。压电、热释电和铁电效应的关系 电介质(绝缘体)与导体不同，带电粒子被束缚在固定位置上，在电场作用下，仅能作微小的位移，即产生电极极化化，但不产生电流，称这种性质为介电性极性晶体与非极性晶体在晶体的32种对称群中，有11种具有对称中心，晶格上为非极性原子或分子，在电性上是完全电中性的，称为各向同性介电体另有20种结构的晶体，其结构上无对称中心，在压力作用下可产生极化现象，此即压电效应极性晶体的极化可能是自发产生的极性晶体的极化可能是自发产生的,此
4、时在结构中产生永此时在结构中产生永久久偶极矩。偶极矩。当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向上的变化上的变化C热释电效应与铁电效应的实质两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自发极化偶极矩发生变化，从而使晶体表面出现束缚电荷，即热释电效应；自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效应D压电、热释电和铁电效应的关系介电体介电体 压电体压电体 热释电体热释电体铁电体铁电体6.2.1 6.2.1 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
5、、张力、切向力时，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。这种机械能转化为电能的现象称为现正负电荷。这种机械能转化为电能的现象称为“正压正压电效应电效应”。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。当外加电场撤生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应
6、”。自由电荷自由电荷极化方向极化方向逆压电效应逆压电效应极化方向极化方向+释放电荷释放电荷正压电效应正压电效应力力+释放电荷释放电荷极性压电效应极性压电效应极化方向极化方向极极化化方方向向+非极性压电效应非极性压电效应释放电荷释放电荷压电效应可逆性压电效应可逆性 利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换压电材料的压电材料的性能指标性能指标u压电常数压电常数d d3333u机电耦合系数机电耦
7、合系数K Kp pu机械品质因数机械品质因数Q Qm mu频率常数频率常数N N1 1、压电常数、压电常数d d3333 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（
8、D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机压电材料进行机电能量转换能力的反映电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：或或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。伸缩振动：伸缩振
9、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。KpK33KtK15K313 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m 工业上很多压电元件是利用工业上很多压电元件是利用谐振效应谐振效应而形成的，比如
10、压电滤波器、超而形成的，比如压电滤波器、超声换能器、压电谐振器。声换能器、压电谐振器。当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频率率frfr一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量，即产生机械损耗。消耗部分能量，即产生机械损耗。QmQm便是描述这种能量损耗的参数便是描述这种能量损耗的参数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Q Qm m是是反反映能量消耗大小映能量消耗大小的一个参数。的一个参数
11、。Q Qm m越大，能量消耗越小。越大，能量消耗越小。机械品质因数机械品质因数Q Qm m的的定义式是：定义式是：其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容4 4、频率常数、频率常数N N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即的乘积为一个常数，即频率常数频率常数N N。N=frl其中：其中：f fr r为压电振
12、子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度。为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒细长棒K33振动振动N33=frl薄板切变薄板切变K15振动振动N15=frltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板的厚度l为棒的长度为棒的长度lt为薄板的厚度为薄板的厚度6.2.2 6.2.2 压电材料简要发展历史压电材料简要发展历史l1.1880 1.1880 年，居里兄弟发现了年，居里兄弟发现了石英晶体石英晶体存在压电效应后使存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。得压电学成为现
13、代科学与技术的一个新兴领域。l2.1921 2.1921 年，年，J.Valasek J.Valasek 发现了发现了水溶性酒石酸钾钠水溶性酒石酸钾钠具有压具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。次发现材料的铁电性。l3.1941-1949 3.1941-1949 年间，科研人员发现年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷具有铁电性具有铁电性能。能。l4.1954 4.1954 年美国的年美国的JaffeJaffe等发现等发现锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT）陶瓷的具有陶瓷的具有良好的压电性能。在以后的良好的压
14、电性能。在以后的30 30 年间，年间，PZTPZT材料以其较强且稳材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器压电换能器的主的主要功能材料。要功能材料。l5.5.随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系高了，二元系PZTPZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料三元、四元甚至五元压电材料。压电材料材料应用：用：机机-电耦合之耦合之间的的纽带！作作为机械能与机械能与电能相互能相
15、互转换的机的机电换能方面的能方面的应用用利用其利用其弹性及固有振性及固有振动特性，在特性，在压电谐振方面的振方面的应用用频率器件（率器件（滤波器，波器，谐振器），振器），电声器件，超声声器件，超声换能器，能器，压电加速器，加速器，变压器等器等压电材料分材料分类：压电单晶体：晶体：有石英有石英(包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英)、水溶性、水溶性压电晶体晶体(包括酒石酸包括酒石酸钾钠、酒石酸乙、酒石酸乙烯二二铵、酒石酸二、酒石酸二钾、硫、硫酸酸锤等等)；多晶体多晶体压电陶瓷：陶瓷：有有钛酸酸钡压电陶瓷、陶瓷、锆钛酸酸铅系系压电陶瓷、陶瓷、铌酸酸盐系系压电陶瓷和陶瓷和铌镁酸酸铅压电陶瓷等
16、。陶瓷等。高分子高分子压电材料：材料：极性的高分子材料，如聚偏氟乙极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声，低声学阻抗特性，柔学阻抗特性，柔软可做极薄的可做极薄的组件。件。压电参数小，需极高的参数小，需极高的极化极化电场(MV/mm)石石英英晶晶体体化化学学式式为为SiO2，是是属属三三方方晶晶系系的的氧氧化化物物单单晶晶体体结结构构。天天然然结结构构的的石石英英晶晶体体外形是一个六角柱状外形是一个六角柱状6.2.3 6.2.3 石英晶体石英晶体1 1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体各个方向的特性是不同的 x轴（轴（1轴）：轴）：经过六面体棱线并垂
17、直于光轴的经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴称为电轴 y轴（轴（2轴）轴）：与与x和和z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y称为机械轴称为机械轴 z轴（轴（3轴）轴）：称为光轴称为光轴纵纵向向压压电电效效应应：通通常常把把沿沿电电轴轴x方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电效应称为电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”。横横向向压压电电效效应应：而而把把沿沿机机械械轴轴y方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力作用时不产生压电效应。zxyo 石英晶体石英晶体(a)
18、晶体外形；晶体外形；(b)切割方向；切割方向；(c)晶片晶片 若若从从晶晶体体上上沿沿y方方向向切切下下一一块块晶晶片片，当当沿沿电电轴轴x方方向向施施加加作作用力用力Fx时，在与电轴时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷，其大小为其大小为 d11x方向受力方向受力,x方向产生电量的压电系数方向产生电量的压电系数若若在在同同一一切切片片上上，沿沿机机械械轴轴y方方向向施施加加作作用用力力Fy，则则仍仍在在与与x轴轴垂直的平面上产生电荷垂直的平面上产生电荷qx，其大小为，其大小为 式中：式中：d12y轴方向受力，轴方向受力，x方向产生电量的压电系数，方向产生电量的压电系数，
19、根据石英晶体的对称性，根据石英晶体的对称性，有有d12=-d11；a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。当石英晶体沿当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿轴方向作用力时，由于晶体沿x轴方向和轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即即dz=0y yx xz zO O 石石英英晶晶体体的的上上述述特特性性与与其其内内部部分分子子结结构构有有关关。图图2是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子，在在垂垂直直于于z轴轴的
20、的xy平平面面上上的的投投影影，等等效效为为一一个个正正六六边边形形排排列列。图图中中“+”代代表硅离子表硅离子Si4+，“”代表氧离子代表氧离子O2-。2 2 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理图图2图图1当石英晶体未受外力作用时：当石英晶体未受外力作用时：正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120夹夹角角的的电偶极矩电偶极矩1、2、3。=ql q为电荷量，为电荷量，l为正负电荷之间距离为正负电荷之间距离。此此时时正正负负电电荷荷重重心心重重合合，
21、电电偶偶极极矩矩的矢量和等于零。的矢量和等于零。即：即：1+2+3=0所所以以晶晶体体表表面面不不产产生生电电荷荷，即即呈呈中中性。性。当晶体受到沿当晶体受到沿x轴方向的压力作用时：轴方向的压力作用时：晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形，正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。此此时时正正负负电电荷荷重重心心不不再再重重合合，电电偶偶极极矩矩在在x方方向向上上的的分分量量由由于于1的的减减小小和和2、3的的增增加加而不等于零。而不等于零。在在x轴轴的的正正方方向向出出现现负负电电荷荷，电电偶偶极极矩矩在在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。方向上的分量仍为零，不
22、出现电荷。当当晶晶体体受受到到沿沿y轴轴方方向向的的压压力力作作用时：用时：晶晶体体的的变变形形如如图图所所示示。1增增大大，2、3减小减小。在在x轴轴上上出出现现电电荷荷，它它的的极极性性为为x轴正向为轴正向为正电荷正电荷。在在y轴方向上仍不出现电荷。轴方向上仍不出现电荷。如如果果沿沿z轴轴方方向向施施加加作作用用力力，因因为为晶晶体体在在x方方向向和和y方方向向所所产产生生的的形形变变完完全全相相同同，所所以以正正负负电电荷荷重重心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢量和等于零矢量和等于零。这这表表明明沿沿z轴轴方方向向施施加加作作用用力力，晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。y
23、 yx xz zO Odz=0 石石英英晶晶体体的的特特点点：性性能能非非常常稳稳定定，机机械械强强度度高高，绝绝缘缘性性能能也也相相当当好好。但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵贵，且且压压电电系系数数比比压压电电陶陶瓷瓷低低得得多多。因因此此一一般般仅仅用用于于标标准准仪仪器器或或要要求求较较高高的传感器中。的传感器中。因因为为石石英英是是一一种种各各向向异异性性晶晶体体，因因此此，按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片，其其物物理理性性质质（如如弹弹性性、压压电电效效应应、温温度度特特性性等等）相相差差很很大大。为为了了在在设设计计石石英英传传感感器器时时，根根据据不不同同使用要求正确地
24、选择石英片的切型。使用要求正确地选择石英片的切型。晶体具有压电性的必要条件是：晶体具有压电性的必要条件是：晶体不具有对称中心晶体不具有对称中心。所有所有铁电体铁电体都具有压电效应和热释电效应。都具有压电效应和热释电效应。6.2.4 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷：是一种能够将机械能和电能互相转换的功是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，一般能陶瓷材料，一般多晶体多晶体压电材料。压电材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。铁铁电电材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的
25、的电电畴畴，在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈中中性，性，不具有压电性质不具有压电性质。铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。铁电陶瓷具有压电效应铁电陶瓷具有压电效应在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场后后，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电
26、电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强，就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场场方方向向。让让外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度，即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时，当当外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本不不变变化，即剩余极化强度很大，这时的化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性材料才具有压电特性。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极
27、化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。图图 束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷对对于于压压电电陶陶瓷瓷，通通常常取取它它的的极极化化方方向向为为z轴轴（3 3轴轴），垂垂直直于于z轴轴的的平平面面上上任任何何直直线线都都可可作作为为x（1轴轴）或或y轴轴（2轴轴）。当当
28、压压电电陶陶瓷瓷在在沿沿极极化化方方向向受受力力时时，则则在在垂垂直直于于z轴轴的的上上、下下两两表表面面上上将将会会出出现现电电荷荷，其其电电荷荷量量qz与与作用力作用力F Fz成正比，即成正比，即式中：式中：d d3333 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F F F 作用力。作用力。y yx xz zO O压压电电陶陶瓷瓷在在受受到到沿沿y方方向向的的作作用用力力F Fy或或沿沿x方方向向的的作作用用力力F Fx时时，在在垂垂直直于于z轴轴的的上上、下下平平面面上上分分别别出出现现正正、负负电荷电荷，其电荷量，其电荷量qz与作用力与作用力F Fy、F Fx也成正比，即也成正比，
29、即式中式中 A z极化面面积；极化面面积；Ax、A y受力面面积；受力面面积；d32、d31压电陶瓷的横向压电系数压电陶瓷的横向压电系数y yx xz zO O压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。转换性能。要求具有较高的要求具有较高的压电常数压电常数d。机械性能。机械性能。机械强度高、刚度大。机械强度高、刚度大。电性能电性能。高电阻率和高。高电阻率和高介电常数介电常数。环境适应性。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。时间稳定性。要求压
30、电性能要求压电性能不随时间不随时间变化。变化。压电材料特性压电材料特性压电陶瓷材料：压电陶瓷材料：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处倍）。不足之处是居里点温度是居里点温度低低（120），温度稳定性和机），温度稳定性和机械强度械强度不如不如石英晶体。石英晶体。2.锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb(Zr,Ti)O
31、3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影以上，各项机电参数受温度影响响小小，时间稳定性好。，时间稳定性好。在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中感器中应用最广泛的应用最广泛的压电材料。压电材料。压电陶瓷材料分类压电陶瓷：1）一元系压电陶瓷；2）二元系压电陶瓷；3）三元系压电陶瓷；4）四元系压电陶
32、瓷。锆钛酸铅PbTiO3-PbZrO3(PZT)1965年问世的PCM，它由锆酸铅PbZrO3-钛酸铅PbTiO3-铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。钛酸铅(PbTiO3)系压电陶瓷；锆酸铅(PbZrO3)系压电陶瓷工艺性差工艺性差（粉化，（粉化，PbOPbO易挥发）易挥发）工艺性好工艺性好g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏米米/牛牛)g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏米米/牛牛)d d3333=56(10=56(10-12-12库库/牛牛)d d3333=191(10=191(10-12-12库库/牛牛)K Kp p=0.095
33、 =0.095 K Kp p=0.354 =0.354 难极化难极化 易极化易极化热稳定性好热稳定性好 热稳定性差热稳定性差 T Tc c=490=490 T Tc c=120=120工作温区宽工作温区宽工作温区窄工作温区窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷二元系二元系Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O3 3压电陶瓷压电陶瓷 因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无限固溶体无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。多元系多元系Pb(TiZr)OPb(TiZr
34、)O3 3压电陶瓷压电陶瓷一些性能往往是一些性能往往是互相克制互相克制的，如：的，如：国内比较常见的国内比较常见的PZTPZT瓷料的性能瓷料的性能K KP P=0.10=0.100.400.40，Q Qm m=500=5003600,3600,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电器件的具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电器件的要求，但这些性能都不是最佳值。要求，但这些性能都不是最佳值。19651965年以来，人们通过在年以来，人们通过在PZTPZT的基础上再的基础上再固溶固溶另一种组另一种组分更复杂的分更复杂的复合钙钛矿化合物复合钙钛矿化合物Pb(BPb(B1 1B B2 2)O)O3 3而形
35、成的三元系、而形成的三元系、四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。Q Qm m 增加增加 ，则，则K KP P减小减小 ；增加增加，则，则tantan增大增大 ；K KP P增加增加 ，则热稳定性，则热稳定性。三元系三元系压电陶瓷压电陶瓷四元系四元系压电陶瓷压电陶瓷五元系五元系压电陶瓷压电陶瓷Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3
36、Pb(SbPb(Sb1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31
37、/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Ni-Pb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2
38、/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Cd-Pb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Mg-Pb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-P
39、bZrO3 3 常用压电材料性能参数常用压电材料性能参数 压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途应应用用领领域域举举 例例电电源源压电变压压电变压器器雷达，雷达，电视显电视显像管，阴极射像管，阴极射线线管，盖克技管，盖克技术术管，管，激光管和激光管和电电子复制机等高子复制机等高压电压电源和源和压电压电点火装置点火装置信号源信号源标标准信号源准信号源振振荡荡器，器，压电压电音叉，音叉，压电压电音片等用作精密音片等用作精密仪仪器中器中的的时间时间和和频频率率标标准信号源准信号源信号信号转换转换电电声声换换能器能器拾声器，送拾声器，送话话器，受器，受话话器，器，扬扬声器，蜂声器，蜂鸣鸣器等声器等声频频范范围围
40、的的电电声器件声器件发发射射与接收与接收超声超声换换能器能器超声切割，超声切割，焊焊接，清洗，接，清洗，搅搅拌，乳化及超声拌，乳化及超声显显示示等等频频率高于率高于20KHz的超声器件，的超声器件，压电马压电马达，探达，探测测地地质质构造，油井固构造，油井固实实程度，无程度，无损损探探伤伤和和测测厚，催厚，催化反化反应应，超声衍射，疾病，超声衍射，疾病诊诊断等各种工断等各种工业业用的超用的超声器件声器件水声水声换换能器能器水下水下导导航定位，通航定位，通讯讯和探和探测测的声的声纳纳，超声探，超声探测测，鱼鱼群探群探测测和和传传声器等声器等信信号号 处处理理滤滤波器波器通通讯讯广播中所用各种分立
41、广播中所用各种分立滤滤波器和复合波器和复合滤滤波器，如彩波器，如彩电电中中频滤频滤波器；雷达，自控和波器；雷达，自控和计计算系算系统统所用所用带带通通滤滤波器，脉冲波器，脉冲滤滤波器等波器等放大器放大器声表面信号放大器以及振声表面信号放大器以及振荡荡器，混器，混频频器，衰减器，隔离器等器，衰减器，隔离器等表面波表面波导导声表面波声表面波传输线传输线传传感感与与计计测测加速度加速度计计压压力力计计工工业业和航空上和航空上测测定振定振动动体或体或飞飞行器工作状行器工作状态态加速度加速度计计，自，自动动控控制开关，制开关，污污染染检测检测用振用振动计动计以及流速以及流速计计，流量，流量计计和液面和液
42、面计计等等角速度角速度计计测测量物体角速度及控制量物体角速度及控制飞飞行器航向的行器航向的压电压电陀螺陀螺红红外探外探测计测计监视领监视领空，空，检测检测大气大气污污染染浓浓度，非接触式度，非接触式测测温以及温以及热热成像，成像，热热电电探探测测、跟踪器等、跟踪器等位移与致位移与致动动器器激光激光稳频补偿稳频补偿元件，元件，显显微加工微加工设备设备及光角度，光程及光角度，光程长长的控制器的控制器存存贮贮调调制制电电光和声光光和声光调调制的光制的光阀阀，光，光闸闸，光，光变频变频器和光偏器和光偏转转器，声开关器，声开关存存贮贮光信息存光信息存贮贮器，光器，光记忆记忆器器显显示示铁电显铁电显示器，
43、声光示器，声光显显示器等示器等其它其它非非线线性元件性元件压电继电压电继电器等器等压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途6.2.6 压电材料应用压电材料应用压压电电陶陶瓷瓷的的应应用用范范围围非非常常广广泛泛，而而且且与与人人类类的的生生活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。活密切相关。其应用大致可归纳为以下四方面。能能量量转转换换。压压电电陶陶瓷瓷可可以以将将机机械械能能转转换换为为电电能能，故故可可用用于于制制造造压压电电打打火火机机、炮炮弹弹引引爆爆装装置置等等。用用压压电电陶陶瓷瓷也也可可以以把把电电能能转转换换为为超超声声振振动动，用用于于探探寻寻水水下下鱼鱼群群，对对金金属属进进行行无无
44、损损探探伤伤，以以及及超超声声清清洗、超声医疗洗、超声医疗等。等。v传传感感。用用压压电电陶陶瓷瓷制制成成的的传传感感器器可可用用来来检检测测微微弱弱的的机机械械振振动动并并将将其其转转换换为为电电信信号号，可可应应用用于于声声纳纳系系统统、气气象象探探测测、遥感遥感遥测、环境保护、家用电器等。遥测、环境保护、家用电器等。v驱驱动动。压压电电驱驱动动器器是是利利用用压压电电陶陶瓷瓷的的逆逆压压电电效效应应产产生生形形变变，以以精精确确地地控控制制位位移移，可可用用于于精精密密仪仪器器与与精精密密机机械械、微微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。电子技术、光纤技术及生物工程等领域。v频频率率控控
45、制制。压压电电陶陶瓷瓷还还可可以以用用来来制制造造各各种种滤滤波波器器和和谐谐振振器器。用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根钢柱钢柱在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。可燃气体。在这种打火机中，采用在这种打火机中，采用直径为直径为2.5毫米，毫米，高度为高度为4毫米毫米的压电陶瓷，就可得到的压电陶瓷，就可得到10102020千伏千伏的高电压。的高电压。当电压升高到该间隙的当电压升高到该间隙的放电电压时，间隙中就产生放电火花。放电电压时，间隙中就产生放
46、电火花。压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损没有磨损，可以，可以长久使用下去。长久使用下去。压电打火机压电打火机高压引线高压引线压电打火机压电打火机垫块垫块外外壳壳冲击块冲击块V压压电电打打火火机机的的点点火火原原理理可可应应用用于于各各个个领领域域，特特别别是军事领域。是军事领域。在在反反坦坦克克炮炮弹弹上上装装上上压压电电陶陶瓷瓷元元件件，当当炮炮弹弹击击中中坦坦克克时时，陶陶瓷瓷因因受受压压而而产产生生高高电电压压，从从而而引引燃燃炸炸药，摧毁坦克。药，摧毁坦克。压压电电陶陶瓷瓷在在非非常常强强的的机
47、机械械冲冲击击波波的的作作用用下下，储储存存的的能能量量在在以以微微秒秒计计的的瞬瞬间间释释放放出出来来，产产生生瞬瞬间间电电流流达达1010万万安安培培以以上上的的高高压压脉脉冲冲，可可用用于于原原子子武武器器的引爆。的引爆。压电引爆装置压电引爆装置探探鱼鱼仪仪是是一一种种用用来来探探测测水水下下鱼鱼群群的的声声纳纳设设备备。其其声声波波发发射射部部分分和和接接收收部部分分用用压压电电陶陶瓷瓷制制成成。压压电电陶陶瓷瓷在在交交变变电电场场作作用用下下，会会产产生生伸伸缩缩振振动动，从从而而向水中发射声波。向水中发射声波。声声波波在在向向前前传传播播时时遇遇到到鱼鱼群群即即被被反反射射回回来来
48、，压压电电陶陶瓷瓷接接收收部部分分收收到到回回波波后后，即即将将它它变变换换成成电电信信号号，经经过过电电路路处处理理就就会会显显示示出出鱼鱼群群的的规规模模、种种类类、密密集程度、方位和距离等，便于捕捞作业。集程度、方位和距离等，便于捕捞作业。压电探鱼仪压电探鱼仪这这种种诊诊断断仪仪中中有有用用压压电电陶陶瓷瓷制制成成的的超超声声波波发发生生探探头头，它它发发出出的的超超声声波波在在人人体体内内传传输输，体体内内各各种种不不同同组组织织对对超超声声波波有有不不同同的的反反射射和和透射作用。透射作用。反反射射回回来来的的超超声声波波经经压压电电陶陶瓷瓷接接收收器器转转换换成成电电信信号号，并并
49、显显示示在在屏屏幕幕上上，据据此此可可看看出出各各内内脏脏的的位位置置、大大小小及及有有无无病病变变等等。B B型型超超声声诊诊断断仪仪通通常常用用来来检检查查内内脏脏病病变变组组织织(如如肿块等肿块等)。压电超声医疗仪压电超声医疗仪压电式压力传感器可以测量各压电式压力传感器可以测量各种压力，如种压力，如车轮车轮通过枕木时的通过枕木时的强压力，继电器强压力，继电器触点触点压力和人压力和人体体脉搏脉搏的微小压力等的微小压力等最多的是在最多的是在汽车汽车上测量气压、上测量气压、发动机内部燃烧压力和真空度。发动机内部燃烧压力和真空度。压电传感器压电传感器换能器：换能器：是将机械振动转变为电信号或在电
50、场驱是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件动下产生机械振动的器件 压电换能器压电换能器+压电驱动器器 l压电陶瓷在陶瓷在电场作用下作用下产生的形生的形变量很小，量很小，最最多不超多不超过本身尺寸的千万分之一本身尺寸的千万分之一，别小看小看这微微小的小的变化，基于化，基于这个原理制做的精确控制机构个原理制做的精确控制机构压电驱动器。器。l据据报道，道，88层的的压电陶瓷片做成的陶瓷片做成的驱动器可在器可在20ms内内产生生50m的位移，响的位移，响应速度之快是其速度之快是其它材料所无法比它材料所无法比拟的，是高精度、高速的，是高精度、高速驱动器器所必所必须的材料。的材料。压电超