关于压电陶瓷的简单介绍.ppt

1,压电陶瓷,Members:马浩，李祥，王春阳，王云霄，徐洋洋，张鼎，杨权，赵琳，周一浩,2,什么是压电陶瓷,3,什么是压电陶瓷,压电效应：压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象,4,什么是压电陶瓷,压电效应：,5,什么是压电陶瓷,压电陶瓷，具有压电效应的具有材料。是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。属于无机非金属材料。,6,发展历史,1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。,7,发展历史,第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应用取得划时代的进展。1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。,8,发展历史,1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。BaTiO3时代难于实用化的一些用途，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器，随着PZT的问世，而迅速地实用化，应用声表面波（SAW）的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，在七十年代后期也取得了实化。1,9,物质组成,常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5K0.5NbO3）和偏铌酸锶钡（BaxSr1-xNb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利,10,特性,弹性常数（s，c）介电常数（）压电常数（d）压电方程机电耦合系数(K)机械品质因数（Qm）稳定性谐振频率（fr）压电性/介电性/弹性/铁电性,11,特性,压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。,12,特性,压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。,13,特性,谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。,14,制造工艺,压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。一般极化电场为35kV/mm，温度100150C，时间520min。这三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其机电偶合系数可高达0.3130.694,15,制造工艺,一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。二、混合磨细：目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。,16,制造工艺,三、预 烧：目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。四、二次细磨：目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础,17,制造工艺,五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。,18,制造工艺,七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。八、烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。九、外形加工：将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。,19,制造工艺,十、被电极：在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。十一、高压极化：使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。十二、老化测试：陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求,分类与应用,21,应用,1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音频电信号转换为声音信号,22,应用,2、压电引爆器 自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。,23,应用,3、压电打火机 煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。,24,应用,4、防核护目镜 核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。,25,应用,5、超声波换能器 适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率,26,应用,6、声纳 在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是声纳-水下耳朵。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇的方位、距离等。,27,我国产业发展现状,中科院1979年开始致力于非铅压电陶瓷的研究目前国内压电陶瓷市场上的产品仍以传统技术和生产方式进行运作无铅产品还未形成产业化优势无铅化正是行业内主要努力方向,28,发展方向,29,压电陶瓷的展望,(1)PZT透明陶瓷 43。透明铁电陶瓷具有介电性、铁电性、压电性、电光性及热释电性,在铁电领域中拥有重要地位,适合于多种类型器件。(2)低温烧结PZT瓷材料的新技术和新工艺。开发低温烧结PZT压电陶瓷材料的新工艺,实现PZT压电陶瓷的低温烧结,不仅能有效地保证陶瓷材料的性能,而且可大大节约能源,有利环保,30,压电陶瓷的展望,(3)多功能铁电陶瓷。利用陶瓷材料的加和效应、乘积效应,以及不同联结度之间的搭配可以发展多功能新型铁电陶瓷材料.目前主要有磁电耦合、光电耦合、磁光耦合等。(4)无铅系列压电陶瓷。由于PZT基压电陶瓷含有大量的铅成分,制造过程易造成环境污染,于是无铅系列压电陶瓷的研究已悄然兴起,但在性能上不如PZT,还需继续改进,31,压电陶瓷的展望,(5)压电复合材料。与传统压电陶瓷相比,具有更好的柔顺性和机械加工性能、密度小、声速低、易于空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。(6)纳米陶瓷。为了克服陶瓷的脆性和不易加工性,纳米陶瓷应运而生,THE END,THANK YOU!,By Group 6,