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压电陶瓷——一类具有压电特性的电子陶瓷材料

作者:亘易隆 更新时间:2020-04-16 20:14 来源:亘易隆 点击数:939

压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、固相反应后而成的多晶体,并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称,是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能,压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感功能材料,已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。随着材料工艺的不断研究和改良,以及电子、信息、航空航天等高科技领域日新月异的发展,作为含高智能新型材料的压电陶瓷的生产技术和应用开发是人们关注的热门课题。

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1、简介

压电陶瓷压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是:构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体,因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的。为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性,就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后,将其置于强直流电场下进行极化处理,以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向。经过极化处理后的压电陶瓷,在电场取消之后,会保留一定的宏观剩余极化强度,从而使陶瓷具有了一定的压电性质。


2、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。

压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷,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用化。

80年代后期至今,人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料,在此基础上有成功研制出驰豫铁电体单晶材料,为三维超声波成像奠定了基础。目前,人们将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上已取得新的突破。

目前,世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷,以保护环境和追求健康,预计2008后形成产业化生产。


3、应用

自1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来,作为压电陶瓷的应用产品,已遍及人们生活的各个方面。压电材料作为机电耦合的纽带,其应用大致可分为两大方面:以压电谐振器为代表的压电陶瓷频率控制器件方面的应用和作为机械能与电能相互转换的准静态的应用。

  

压电振子与压电陶瓷频率控制器件

极化后的压电陶瓷,即压电振子,具有由其尺寸所决定的固有振动频率,利用压电振子的固有振动频率和压电效应可以获得稳定的电振荡。当所加电压的频率与压电振子的固有振动频率相同时会引起共振,振幅大大增加。此过程交变电场通过逆压电效应产生应变,而应变又通过正压电效应产生电流,实现了电能和机械能最大限度地互相转换。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等器件。这些器件具有成本低、体积小、不吸潮、寿命长,频率稳定性好,等效品质因数比LC滤波器高,适用的频率范围宽,精度高,特别是用在多路通讯、调幅接收以及各种无线电通讯和测量仪器中能提高抗干扰能力。所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。

  

压电变压器

压电变压器是利用压电效应的电能和机械能相互转换的特性制备而成,由输入端和输出端两部分组成,其电极化方向相互垂直。输入端沿厚度方向极化,施加交变电压后作纵向振动,由于逆压电效应,输出端就会有高压输出。压电陶瓷变压器是一种新型固态电子器件,与传统的电磁式变压器相比具有结构简单、体积小、重量轻、变压比大、稳定性好、无电磁干扰及噪声、效率高、能量密度大、安全性高、无绕组、不可燃烧、无漏磁现象及电磁辐射污染等的优点。依据压电陶瓷变压器的工作模式可分为如下几类:Rosen型压电陶瓷变压器、厚度振动模式压电陶瓷变压器、径向振动模式压电陶瓷变压器等。近年来又出现了一些性能更好的压电变压器,如两输入端的三阶振动模式Rosen型压电陶瓷变压器和大功率多层压电陶瓷变压器。目前压电陶瓷变压器主要用作AC-DC、DC-DC等功率器件及高压发生器件上,如液晶显示器中的冷阴极管、霓虹灯管、激光管和小型X光管、高压静电喷涂、高压静电植绒和雷达显示管的驱动等。

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压电换能器

压电换能器是利用压电陶瓷的压电效应和逆压电效应实现电能和声能的相互转化。压电超声换能器就是其中的一种,它是水下发射和接收超声波的水声器件。处于水中的压电换能器在声波的作用下,换能器两端会感应出电荷来,这就是声波接收器;若在压电陶瓷片上施加一个交变电场,陶瓷片就会时而变薄时而变厚,同时产生振动,发射声波,这就是超声波发射器。压电换能器在工业中还被广泛用作水中导航、海洋探测、精密测量、超声清洗、固体探伤以及医学成像、超声诊断、超声疾病治疗等方面。当今压电超声换能器的另一个应用的领域是遥测和遥控系统,其具体应用实例主要有:压电陶瓷蜂鸣器、压电点火器、超声显微镜等。


压电超声马达

压电超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动,将材料的微变形通过共振放大,靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动,无需通常的电磁线圈的新型微电机。与传统电磁马达相比,具有成本低、结构简单、体积小、高功率密度、低速性能好(可以实现低转速运行而不用减速机构)、转矩及制动转矩大、响应快、控制精度高,无磁场和电场,没有电磁干扰和电磁噪声等特点。压电超声马达由于自身的特点和性能上的优势,广泛应用于精密仪器、航天航空、自动控制、办公自动化、微型机械系统、微装配、精密定位等领域。目前,日本在该领域处于技术领先地位,已将压电超声马达普遍用于照相机、摄像机的自动调焦,并形成规模系列产品。

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4、发展趋势

无铅压电陶瓷,也被称为环境协调性压电陶瓷,它要求陶瓷材料在制备、使用、废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质,以避免对人体健康造成危害,减少环境污染。然而,目前使用的压电陶瓷材料主要以PZT为基材料,其压电性能大大优越于其它压电陶瓷材料,而且可以通过掺杂改性和工艺控制调节材料的电学性能,以满足各种应用需求。当前工业上应用的各种含铅压电陶瓷材料中,氧化铅的含量约占材料总质量的60%以上,这些材料在元件制造、加工、储运、使用及其废弃物处理过程中,对人体和环境造成的危害是不言而喻的,因此无铅系环境友好型压电陶瓷材料是近年来研究与开发的重要方向和热点课题。目前,对无铅系压电材料的研究主要经历了从钛酸钡基、钛酸铋钠基、铋层状结构、铌酸盐基和钨青铜结构无铅压电陶瓷的研究过程,其中铌酸盐基无铅压电陶瓷是最有应用前景的无铅压电材料。虽然无铅压电陶瓷的开发和研究已经取得了较大的进步,但要让无铅压电陶瓷完全取代铅基压电陶瓷还无可能,无铅系压电陶瓷的研究与开发还将任重而道远。


压电复合材料

为了在水听器的应用中发挥作用,压电复合材料在20世纪70年代逐步发展起来。压电复合材料是由压电陶瓷相和聚合物相按照一定的连接方式而构成的一种具有压电效应的功能复合材料。由于柔性聚合物相的加入,压电复合材料的密度、声阻抗、介电常数都降低了,而复合材料的优值和机电耦合系数提高了,克服了单纯的压电陶瓷的脆性和压电聚合物的高成本的弊端。压电复合材料除了用作水听器,还用于工业、医疗和通信领域。压电复合材料经过40多年的不断研究,其应用研究已经有了相当的进展,但它的完整理论还尚未建立起来,其应用开发还有待充分挖掘。当前,压电复合材料的研究主要集中在开发连接类型、改进成型工艺和制备多功能器件等方面。

  

纳米压电陶瓷

近年来随着纳米技术的飞速发展,纳米陶瓷逐步受到人们的关注。纳米粉体经成型和烧结,形成致密、均匀的块体纳米陶瓷,材料的韧性、强度和超塑性大幅提高,克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响。通过精选材料组成体系和添加纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等加以改性,可以获得高性能和低温烧结兼优的纳米压电陶瓷材料。通过控制纳米晶粒的生长可获得量子限域效应,以及性能奇异的铁电体,以提高压电热解材料机电转换和热释性能。近年迅速发展的各类压电变压器、压电驱动器、大功率超声焊接技术、压电式振动给料器、超声CVD新工艺和核电站相配套的大功率超声工程都是纳米陶瓷在压电方面的应用。

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