压电陶瓷基本知识概要教学文案.ppt

LOGO压电陶瓷压电陶瓷(toc)基本基本知识知识第一页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本知识的基本知识发展历史发展历史压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的基本概念压电陶瓷的主要压电陶瓷的主要(zhyo)(zhyo)性能参数性能参数压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的制作工艺压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用市场发展前景与方向市场发展前景与方向第二页，共49页。压电陶瓷是什么？压电陶瓷是什么？压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近因生产工艺和陶瓷相近(xin jn)而得名。而得名。各种规格的压电陶瓷各种规格的压电陶瓷(toc)片片晶粒的晶格晶粒的晶格(jn)取向示意图取向示意图 整体看来，整体看来，晶粒与晶粒的晶晶粒与晶粒的晶格方向不一定相格方向不一定相同，排列是无规同，排列是无规则的。这样的结则的。这样的结构称其为构称其为多晶体多晶体。第三页，共49页。发展发展(fzhn)历史历史1880居里兄弟居里兄弟首先发现电气石的压电效首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。应，从此开始了压电学的历史。1881居里兄弟居里兄弟实验验证了逆压电效应，实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。给出石英相同的正逆压电常数。第四页，共49页。发展发展(fzhn)历史历史1942-1949发现了发现了BaTiO3压电陶瓷上的高介电压电陶瓷上的高介电常数和铁电性、压电性。后续解决了常数和铁电性、压电性。后续解决了极化问题。极化问题。50年代美国日本先后美国日本先后利用利用BaTiO3压电陶压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用研究。力传感器、滤波器等的应用研究。第五页，共49页。发展发展(fzhn)历史历史1954美国美国B.Jaffe等人发现了锆钛酸铅等人发现了锆钛酸铅(PZT)具有非常强和稳定的压电性，具有非常强和稳定的压电性，促使压电器件的应用研究又大大地向促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。前推进了一大步。迄今压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。至家庭生活极其广泛。后来为了保护地球和人类的生存空间，防为了保护地球和人类的生存空间，防止环境的污染止环境的污染，非铅压电陶瓷成为未，非铅压电陶瓷成为未来研究和应用的方向。来研究和应用的方向。第六页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念三三个个重重要要概概念念1、自发极化、自发极化120以下，以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方晶体结构稍有畸变，为四方结构，结构，Ba2+和和Ti4+相对于相对于O2-产生了一个产生了一个(y)位移，结果导致正负电荷中心不重合，产生位移，结果导致正负电荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转变温度称为了极化（自发极化），通常把这种转变温度称为居里温度或居里点（居里温度或居里点（Tc）。）。第七页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念三三个个重重要要概概念念铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域，那些自发极化方向相同的区域称为电畴（黑色粗线为畴壁）。对于自发极化而言，从宏观统计来看，晶体中存在着各个方向的自发极化，它们(t men)相互抵消，宏观上对外不呈现极性。第八页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)基本概念基本概念三三个个重重要要概概念念2、人工极化、人工极化人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持电场，并保持(boch)一定的温度和时间，一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。前后的变化情况。第九页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念三三个个重重要要概概念念3、铁电陶瓷、铁电陶瓷某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材料其自发极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性的这种特性(txng)称为铁电性。具有这种特称为铁电性。具有这种特性性(txng)的陶瓷材料称为铁电陶瓷的陶瓷材料称为铁电陶瓷.Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余(shngy)极化强度；Ec矫顽电场。第十页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念压电陶瓷的原理：压电效应压电陶瓷的原理：压电效应压电效应是指某些介质在力的作用下，压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变产生形变(xngbin)，引起介质表面带电，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。介质将产生机械变形，称逆压电效应。第十一页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念压电效应压电效应(ydinxioyng)的本质的本质 极化(j hu)方向 电场方向 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F逆压电效应示意图正压电效应本质：机械作用引起介质极化。逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。第十二页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念 气体喷嘴气体喷嘴高高压压引引线线压压电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构正压电效应正压电效应(ydinxioyng)压电陶瓷压电陶瓷(toc)点火示点火示意图意图第十三页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念节点支承节点支承边缘支承边缘支承中心支承中心支承逆压电效应逆压电效应(y din(y din xio yng)xio yng)压电蜂鸣器工作压电蜂鸣器工作(gngzu)示意图示意图第十四页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念压电陶瓷的压电效应机理与石英(shyng)晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向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自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。图图5 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第十五页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的基本概念的基本概念并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定(ydng)是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶体才有压电效应。将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。第十六页，共49页。石英晶体石英晶体(jngt)和压电陶瓷的比较和压电陶瓷的比较石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达达573573），稳定性好，精度高），稳定性好，精度高(精度可以达到小数点后六位数精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点，石英要高点，石英要高4 41010倍以上）。倍以上）。压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低大，成本低。但居里点温度低(120(120360)360)，精度低，精度低(精度只能精度只能满足到小数点后三位满足到小数点后三位),),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体，制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。有热释电现象，会给传感器带来热干扰。两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载只有在内部无漏损或外接负载RLRL趋于无穷大时，其受力后产生的趋于无穷大时，其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此从这个作用下，电荷才能得以补充，因此从这个(zh ge)(zh ge)意义上讲，压意义上讲，压电晶体不适合静态测量。电晶体不适合静态测量。第十七页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数压电常数压电常数d d介电常数介电常数介质损耗介质损耗tantan机电机电(jdin)(jdin)耦合系数耦合系数KpKp机械品质因数机械品质因数QmQm频率常数频率常数N N第十八页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数压电常数压电常数(chngsh)d(chngsh)d 压电常数压电常数(chngsh)(chngsh)是反映力学量（应力是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。其数值的大小直接表征了合的线性响应系数。其数值的大小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方向施压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方向施加压应力加压应力T T时，在电极面上就产生电荷时，在电极面上就产生电荷D D，则有，则有以下关系式：以下关系式：D=dTD=dT式中式中d d单位为库仑单位为库仑/牛顿（牛顿（C/NC/N）这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电场既施加电场E E时成比例地产生应变时成比例地产生应变S S，其所产生，其所产生的应变为膨胀为收缩取决于样品的极化方向。的应变为膨胀为收缩取决于样品的极化方向。S=dES=dE式中，式中，d d的单位为米的单位为米/伏（伏（m/vm/v）。）。第十九页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数对于正和逆压电效应来讲，对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的，即有关系：在数值上是相同的，即有关系：对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声换能器）对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声换能器）的材料来说，希望具有大的压电应变常数的材料来说，希望具有大的压电应变常数(chngsh)d。常用的为横向压电系数常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数和纵向压电系数d33（脚标第（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。方向）。电荷(dinh)灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：结论：灵敏度与压电系数d成正比，与质量m成正比。增加质量：影响被测体振动状态第二十页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数介电常数介电常数 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常质的，通常(tngchng)(tngchng)用用来表示。不同用途来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。材料的介电常数要小。介电常数介电常数与压电元件的电容与压电元件的电容C C，电极面积，电极面积A A和和电极间距离电极间距离t t之间的关系为：之间的关系为：=Ct/A=Ct/A 有时使用相对介电常数有时使用相对介电常数 ，它与绝对介电，它与绝对介电常数常数之间的关系为之间的关系为=/o=/o 式中，式中，oo为真空（或自由空间）的介电常数，为真空（或自由空间）的介电常数，o=8.8510-12o=8.8510-12（F/mF/m），而），而 则无单位，则无单位，是一个数值。是一个数值。第二十一页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数介质损耗介质损耗tantan 电介质在电场作用下，由于电介质在电场作用下，由于(yuy)(yuy)电电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。能量。理想电介质在正弦交变电场作用下流过理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前的电流比电压相位超前90 90 ，但在压电陶瓷中，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流超前的相位角因有能量损耗，电流超前的相位角小于小于90 90，它的余角它的余角(+=90)(+=90)称为损耗角，它是一称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tantan来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）功率（损失功率）P P与无功功率与无功功率Q Q之比。即：之比。即：电学电学品质因数品质因数QeQe（electrical quality factorelectrical quality factor）电学品质因数的值等于损耗角正切值的倒数，电学品质因数的值等于损耗角正切值的倒数，用用QeQe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则 Qe=1/tan=CRQe=1/tan=CR第二十二页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数机电耦合系数机电耦合系数KpKp 机电耦合系数机电耦合系数K K是一个综合反映压电陶瓷的机械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，是压电材料进能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机行机电能量转换能力电能量转换能力(nngl)(nngl)的反映。机电耦的反映。机电耦合系数的定义是：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。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如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面（平面(pngmin)耦合系数）；耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。（纵向耦合系数）等。第二十三页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数第二十四页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数机械品质因数机械品质因数QmQm 压电陶瓷在振动压电陶瓷在振动(zhndng)(zhndng)时，为了克服内时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数摩擦需要消耗能量。机械品质因数QmQm是反映能是反映能量消耗大小的一个参数。量消耗大小的一个参数。QmQm越大，能量消耗越越大，能量消耗越小。机械品质因数小。机械品质因数QmQm的定义式是：的定义式是：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(pnl)fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率(pnl)R为谐振频率为谐振频率(pnl)时的最小阻抗时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）（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第二十五页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的主要性能参数的主要性能参数频率常数频率常数N N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动对某一压电振子，其谐振频率和振子振动(zhndng)(zhndng)方向长度的乘积为一个常数，即频方向长度的乘积为一个常数，即频率常数。率常数。N=frlN=frl 其中：其中：frfr为压电振子的谐振为压电振子的谐振(xizhn)(xizhn)频率；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 Np=frD D为圆片的直径薄板厚度伸缩振动 Nt=frt t为薄板的厚度细长棒K33振动 N33=frl l为棒的长度薄板切变K15振动 N15=frlt lt为薄板的厚度 第二十六页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺压电陶瓷的制作过程主要压电陶瓷的制作过程主要(zhyo)(zhyo)步骤步骤老老化化测测试试极极化化上上电电极极配配料料预预处处理理预预烧烧造造粒粒成成型型烧烧成成机机加加工工第二十七页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）原料是制备压电陶瓷的基础。对于原料是制备压电陶瓷的基础。对于PZTPZT来来说它的主要说它的主要(zhyo)(zhyo)原料为原料为Pb3O4Pb3O4、ZrO2ZrO2、TiO2TiO2。选择原料一般应注意其化学组成和物。选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。理状态。(1)(1)原料的纯度原料的纯度 对纯度的要求应适度。高纯原料，价格对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原昂贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原料，其中有的杂质可起矿化和助熔的作用，料，其中有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度降低，温区增宽。但过低纯反而使烧结温度降低，温区增宽。但过低纯度原料杂质较多，不宜采用。度原料杂质较多，不宜采用。第二十八页，共49页。压电陶瓷的制造压电陶瓷的制造(zhzo)工艺工艺配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）(2)(2)杂质的利用杂质的利用 1)1)杂质的类型杂质的类型(lixng)(lixng)有害杂质有害杂质 对材料绝缘、介电性等影响极大对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子，如的杂质，特别是异价离子，如B B、C C、P P、S S、AlAl等，越少越好。等，越少越好。有利杂质有利杂质 与材料与材料A A位位(Pb2+)(Pb2+)、B B位位(Zr4+,Ti4+)(Zr4+,Ti4+)离子电价相同、半径接近，能形成离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。如置换固溶的杂质。如Ca2+Ca2+、Sr2+Sr2+、Ba2+Ba2+、Mg2+Mg2+、Sn4+Sn4+、Hf4+Hf4+等离子，一般在等离子，一般在0.20.5%0.20.5%范围内，范围内，坏的影响不大，甚至有利。坏的影响不大，甚至有利。第二十九页，共49页。压电陶瓷的制造压电陶瓷的制造(zhzo)工艺工艺配料（原料的选择和处理）配料（原料的选择和处理）2)2)掺杂的改性掺杂的改性 在在PZTPZT配方中，比例大的原料配方中，比例大的原料Pb3O4Pb3O4、ZrO2ZrO2、TiO2TiO2分别占重量比的分别占重量比的60%60%、20%20%和和18%18%左左右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要右，若杂质多，引入杂质总量也多。因此，要求杂质总含量均不超过求杂质总含量均不超过2%2%，即要求纯度均在，即要求纯度均在98%98%以上。以上。为了满足不同的使用目的，我们需要具有为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的各种性能的PZTPZT压电陶瓷，为此压电陶瓷，为此(wi c)(wi c)我们可我们可以添加不同的离子来取代以添加不同的离子来取代A A位的位的Pb2+Pb2+离子或离子或B B位位的的Zr4+,Ti4+Zr4+,Ti4+离子，从而改进材料的性能。离子，从而改进材料的性能。第三十页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺所谓等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+等半径较 Pb2+离子小的二价离子取代Pb2+离子，结果使PZT陶瓷的介电常数(ji din chn sh)增大，机电耦合系数KP增大,压电常数d增大,从而提高PZT瓷的压电性能。易价取代：软性取代改性、硬性取代改性、其他所谓“软性取代改性”是指在原料中加入这些添加物后能使矫顽场强EC 减小，极化容易，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。(烧成后的瓷体成黄色)（a）La3+、Bi3+、Sb3+等取代A位Pb+2离子(施主掺杂)；（b）Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子(施主掺杂)。经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC 减小，机械品质因数Qm减小；介电常数(ji din chn sh)增加，介电损耗tan增加,机电耦合系数KP增加,抗老化性增加，绝缘电阻率增加。第三十一页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加，极化变难，因而(yn r)在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色)（a）K+，Na+等取代A位Pb+2离子（受主掺杂）；（b）Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Cr3+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子(受主掺杂)。经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC增加，机械品质因数Qm增加；介电常数减小，介电损耗tan减小,机电耦合系数KP减小,抗老化性降低，绝缘电阻率减小。第三十二页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺预处理（混合和粉碎）预处理（混合和粉碎）混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以混合是将称量好的原料混合均匀、相互接触，以利于预烧时充分的化学反应利于预烧时充分的化学反应(huxu fnyng)(huxu fnyng)。粉碎是将原料进行细化，达到一定的平均粒度和粉碎是将原料进行细化，达到一定的平均粒度和粒度分布，为预烧创造有利条件。粒度分布，为预烧创造有利条件。1)1)工艺方法工艺方法 使用球磨机使用球磨机(滚筒式、行星式、搅拌式和振滚筒式、行星式、搅拌式和振动式等球磨机动式等球磨机)，加磨球，加磨球(钢球、玛瑙球、锆球等钢球、玛瑙球、锆球等)与介质与介质(水、酒精等水、酒精等)，对原料进行机械混合或粉，对原料进行机械混合或粉碎。碎。2)2)工艺原理工艺原理 磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地磨球靠电动机产生离心力、摩擦力和地心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转心引力的共同作用，形成碰撞、循环翻动和自转等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，等运动，使介于其中的粉料受到冲击和摩擦研磨，从而达到混合与粉碎细化。从而达到混合与粉碎细化。第三十三页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺预烧预烧(合成合成)预烧是通过原料中原子或离子之间在加热作用下预烧是通过原料中原子或离子之间在加热作用下的扩散的扩散(kusn)来完成固相化学反应，生成瓷料来完成固相化学反应，生成瓷料的过程。的过程。（1）预烧的目的）预烧的目的 1）使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组）使各原料的固相化学反应充分均匀，生成组成固定的固溶体，形成主晶相。成固定的固溶体，形成主晶相。2）排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体）排除原料中的二氧化碳和水分等，减小坯体的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。的烧成收缩、变形，以便于控制产品外形尺寸。（2）预烧的过程）预烧的过程 500600：未反应：未反应 600700：PbO+TiO2 PbTiO3(630时时Pb3O4分解为分解为PbO)700750：PbTiO3+PbO+TiO2 Pb(Zr1-XTiX)O3 750800：PbTiO3+Pb(Zr1-XTiX)O3 Pb(Zr0.5Ti0.5)O3第三十四页，共49页。压电陶瓷的制造压电陶瓷的制造(zhzo)工艺工艺造粒造粒造粒是将合成后的瓷料粉碎后混合粘结剂造粒是将合成后的瓷料粉碎后混合粘结剂(聚乙聚乙烯醇烯醇PVA)后，制成流动性好的颗粒。把这种颗后，制成流动性好的颗粒。把这种颗粒称为粒料，以示区别粒称为粒料，以示区别(qbi)。常用的造粒方法常用的造粒方法普通手工造粒法普通手工造粒法操作简单，劳动强度大，操作简单，劳动强度大，适用实验室。适用实验室。加压造粒法加压造粒法产量少，效率低，适用实验室产量少，效率低，适用实验室及中批量生产及中批量生产喷雾干燥造粒法喷雾干燥造粒法制造的颗粒为球状、流动性好、质量好、且制造的颗粒为球状、流动性好、质量好、且产量大、连续生产、效率高，劳动强度小和条件产量大、连续生产、效率高，劳动强度小和条件得到改善。宜于大批量生产，但设备成本高。得到改善。宜于大批量生产，但设备成本高。第三十五页，共49页。压电陶瓷的制造压电陶瓷的制造(zhzo)工艺工艺成型成型 成型就是将粒料压制成所需要的形状规格成型就是将粒料压制成所需要的形状规格的坯体，并为烧结创造条件。的坯体，并为烧结创造条件。坯体成型的方式和方法很多，如干压成型坯体成型的方式和方法很多，如干压成型法、可塑成型法和浆料成型法等，干压成型目法、可塑成型法和浆料成型法等，干压成型目前被广泛采用。前被广泛采用。干压成型是将经过造粒的粒料装入一定形干压成型是将经过造粒的粒料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。成坯体。干压成型原理：在外力作用下，粒料颗粒干压成型原理：在外力作用下，粒料颗粒在模具内相互靠近在模具内相互靠近(kojn)(kojn)，并借助内部作用，并借助内部作用力牢固地把各颗粒联系起来，成为保持一定形力牢固地把各颗粒联系起来，成为保持一定形状的坯体。状的坯体。干压成型的效果取决于干压的压力，粒料干压成型的效果取决于干压的压力，粒料的流动性，模具的平整性。的流动性，模具的平整性。第三十六页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺烧成（排胶和烧结）烧成（排胶和烧结）排胶排胶 成型坯体中粘合剂是一种成型坯体中粘合剂是一种(y zhn)(y zhn)高高分子化合物，含碳多，碳在氧气不足时燃烧产生分子化合物，含碳多，碳在氧气不足时燃烧产生还原性很强的一氧化碳。一氧化碳夺取还原性很强的一氧化碳。一氧化碳夺取PZTPZT中的氧中的氧而形成二氧化碳，使金属氧化物还原为导电的金而形成二氧化碳，使金属氧化物还原为导电的金属属(如如Pb)Pb)和半导体性质的低价氧化物和半导体性质的低价氧化物(如如Ti2O3)Ti2O3)影影响陶瓷的颜色、成瓷性、烧银、极化和最终性能。响陶瓷的颜色、成瓷性、烧银、极化和最终性能。所以，在烧结前，必须对坯体进行排胶。所以，在烧结前，必须对坯体进行排胶。工艺工艺 将坯体装入透气性好的耐火槽板中，将坯体装入透气性好的耐火槽板中，推入氧氛好的排塑炉内，按一定加热制度排塑。推入氧氛好的排塑炉内，按一定加热制度排塑。典型例如下：典型例如下：升温速度：升温速度：04500450，50/h50/h；450750450750，150/h150/h 最高温度：最高温度：750750（600600前，微开炉门，前，微开炉门，600600关炉门）关炉门）保温时间：保温时间：1h1h 冷却方式：关电源随炉冷却。冷却方式：关电源随炉冷却。第三十七页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的制造工艺的制造工艺烧成（排胶和烧结）烧成（排胶和烧结）烧结是利用热能使坯体转变烧结是利用热能使坯体转变(zhunbin)(zhunbin)为致为致密陶瓷的工艺过程。密陶瓷的工艺过程。不同不同烧结阶烧结阶段晶粒排列段晶粒排列过过程程初期阶段（颗粒结合阶段，初期阶段（颗粒结合阶段，1050以前）以前）中期中期(zhngq)阶段（晶粒生长阶段，阶段（晶粒生长阶段，10501200）最终阶段（晶粒校正阶段，最终阶段（晶粒校正阶段，1200最佳烧结温度）最佳烧结温度）第三十八页，共49页。压电陶瓷的制造压电陶瓷的制造(zhzo)工艺工艺上电极上电极 上电极就是在压电陶瓷的表面上设置导电电上电极就是在压电陶瓷的表面上设置导电电极，使用的材料主要为极，使用的材料主要为CuCu、AgAg、Ni Ni、AuAu等。等。使用的工艺方法为烧渗、化学沉积、真空镀使用的工艺方法为烧渗、化学沉积、真空镀膜等。膜等。上电极的目的就是为了导通和后续极化。上电极的目的就是为了导通和后续极化。上电极的最终上电极的最终(zu zhn)(zu zhn)成效主要主要由成效主要主要由两个因素决定：金属表面的可焊性和金属层的两个因素决定：金属表面的可焊性和金属层的附着性。附着性。第三十九页，共49页。压电陶瓷的制造压电陶瓷的制造(zhzo)工艺工艺极化极化 极化的目的是为了使铁电陶瓷的铁电畴在极化的目的是为了使铁电陶瓷的铁电畴在外直场作用下，沿电场方向外直场作用下，沿电场方向(fngxing)(fngxing)定向排列，定向排列，显示极性与压电效应。显示极性与压电效应。极化的条件：极化电压、温度、时间。极化的条件：极化电压、温度、时间。极化电压大小极化电压大小(KV)(KV)取决于压电陶瓷的矫顽取决于压电陶瓷的矫顽场场ECEC。一般为。一般为ECEC的的2-32-3倍。一般来说电压越高极化倍。一般来说电压越高极化就越充分。就越充分。在极化电场和极化时间一定的条件下，极化在极化电场和极化时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列较易，利于极化。温度高，电畴取向排列较易，利于极化。极化时间越长，电畴转向排列充分，并有利极化时间越长，电畴转向排列充分，并有利于极化过程中应力的弛豫。于极化过程中应力的弛豫。确定极化条件应以兼顾压电性能，提高成品确定极化条件应以兼顾压电性能，提高成品率和节省时间为原则。不同成分材料，应通过实率和节省时间为原则。不同成分材料，应通过实验，优化出最佳极化条件。实用中通过压电性能验，优化出最佳极化条件。实用中通过压电性能来判定极化效果。来判定极化效果。极化的方法：硅油极化和空气极化。极化的方法：硅油极化和空气极化。第四十页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的应用的应用应用应用(yngyng)分类分类 正压电效应正压电效应将机械力转换为将机械力转换为电能，如点火装电能，如点火装置，拾音器等，置，拾音器等，是机电换能器是机电换能器 逆压电效应逆压电效应 主要用于压电主要用于压电蜂鸣器，如音蜂鸣器，如音乐贺卡、门铃乐贺卡、门铃和扬声器等和扬声器等 第四十一页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的应用的应用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点火装置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器中的中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，蜂鸣鸣器等器等声声频频范范围围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，乳化及超声显显示等示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，达，探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，催化反厚，催化反应应，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声器件用的超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第四十二页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的应用的应用信信号号 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波器；雷达，自控和器；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和航空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，自动动控制开控制开关，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，热电热电探探测测、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，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第四十三页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的应用的应用超声波超声波探测仪探测仪压电压电引爆器引爆器 压电转压电转换器换器压电压电点火器点火器压电压电驱动器驱动器 压电陶瓷压电陶瓷市场应用市场应用第四十四页，共49页。分类分类(fnli)与应用与应用压电陶瓷压电陶瓷风扇风扇压电振动压电振动加速计加速计压电陶压电陶瓷继电瓷继电器器超声波超声波倒车雷达倒车雷达压电式压电式触屏触屏 压电陶瓷压电陶瓷(toc)市场应用市场应用第四十五页，共49页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)的市场的市场压电陶瓷作为重要功能材料在电子领域占据相当压电陶瓷作为重要功能材料在电子领域占据相当(xingdng)大的比重大的比重2000年全球压电陶瓷销售额约达年全球压电陶瓷销售额约达30亿美元亿美元近年来，压电陶瓷在全球每年销售量按近年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%速度增长速度增长第四十六页，共49页。无铅化影响无铅化影响(yngxing)压电陶瓷市场压电陶瓷市场为了保护地球和人类的生存空间，防止环境为了保护地球和人类的生存空间，防止环境(hunjng)的污染，的污染，2001年欧洲议会通过了关于年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中电器和电子设备中限制有害物质限制有害物质”的法令，并定于的法令，并定于2008年实施。其中在被限年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电器件。制使用的物质中就包括含铅的压电器件。第四十七页，共49页。我国无铅产业我国无铅产业(chny)发展现状发展现状欧洲共同体立项欧洲共同体立项151万欧元进行万欧元进行(jnxng)关于非铅系压关于非铅系压电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也将相继通过类电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也将相继通过类似的法令，并已逐年提高了对研制非铅系压电陶瓷项目的似的法令，并已逐年提高了对研制非铅系压电陶瓷项目的支持力度。支持力度。中科院中科院1979年开始致力于非铅压电陶瓷的研究年开始致力于非铅压电陶瓷的研究2001年在国家高技术研究发展计划年在国家高技术研究发展计划(“863”计划计划)的资的资助下，成功地开发了钙钛矿结构的系列无铅压电陶瓷材料。助下，成功地开发了钙钛矿结构的系列无铅压电陶瓷材料。目前国内压电陶瓷市场上的产品仍