壓電陶瓷材料是一種能�?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。屬于無機非金屬材料,是一種具�壓電效應(yīng)的材料。它在工�(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了廣泛的�(yīng)�。由壓電陶瓷�(gòu)成的超高精度、低能�、控制簡便的�(qū)動器 ,在精密工程中起到了非常重要的作用�
壓電效應(yīng)的原理是,如果對壓電材料施加壓力,它便會�(chǎn)生電位差(稱之為正壓電效�(yīng)),反之施加電壓,則�(chǎn)生機械應(yīng)力(稱為逆壓電效�(yīng))。如果壓力是一種高頻震�,則�(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時,則�(chǎn)生高頻聲信號(機械震動),這就是我們平常所說的超聲波信�。也就是�,壓電陶瓷具有機械能與電能之間的�(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能,這種相互對應(yīng)的關(guān)系確實非常有意��
壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電�,也可以因電場作用產(chǎn)生機械變�,這種固有的機-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的�(yīng)用。例�,壓電材料已被用來制作智能結(jié)�(gòu),此類結(jié)�(gòu)除具有自承載能力�,還具有自診斷�、自適應(yīng)性和自修復性等功能,在未來的飛行器�(shè)計中占有重要的地位�
1� 細晶粒壓電陶�
以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材�,尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級,可以改進材料的加工�,可將基片做地更薄,可提高陣列頻�,降低換能器陣列的損�,提高器件的機械強度,減小多層器件每層的厚度,從而降低驅(qū)動電壓,這對提高疊層變壓�、制動器都是有益�。減小粒徑有上述如此多的好處,但同時也帶來了降低壓電效應(yīng)的影�。為了克服這種影響,人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工�,使細晶粒壓電陶瓷壓電效�(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相�?shù)乃健,F(xiàn)在制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來,人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研�,并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器(瓷片20-30um厚),證明了細晶粒壓電陶瓷的�(yōu)越�。隨著納米技�(shù)的發(fā)�,細晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開�(fā)仍是近期的熱��
2、PbTiO3系壓電材�
PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成�、極化難、制作大尺寸�(chǎn)品難的問�,人們還是在改性方面作了大量工�,改善其燒結(jié)�。抑制晶粒長大,從而得到各個晶粒細�、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年,改良PbTiO3材料報道較多,在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛�(yīng)�。目前該材料的發(fā)展和�(yīng)用開�(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題�
3、壓電陶�-高聚物復合材�
無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂�(gòu)成的壓電復合材料,兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能,并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因�,可以根�(jù)需要,綜合二相材料的優(yōu)�,制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高,比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面,壓電復合材料也有較大優(yōu)勀國�(nèi)學者對這個領(lǐng)域也頗感興趣,做了大量的工藝研究,并在復合材料的�(jié)�(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作,目前正致力于壓電復合材料產(chǎn)品的開發(fā)�
4、壓電性特異的多元單晶壓電�
傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效�(yīng)要強,從而得到了廣泛�(yīng)用。但作為大應(yīng)�,高能換能材�,傳�(tǒng)壓電陶瓷的壓電效�(yīng)仍不能滿足要�。于是近幾年�,人�?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料,做了大量工作,現(xiàn)已發(fā)�(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶(A=Zn2+,Mg2+�。這類單晶的d33可達2600pc/N(壓電陶瓷d33�850pc/N),k33可高�0.95(壓電陶瓷K33�0.8),其應(yīng)�>1.7%,幾乎比壓電陶瓷�(yīng)變高一個數(shù)量級。儲能密度高�130J/kg,而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學者們稱這類材料的出�(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛�?,F(xiàn)在美�、日�、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生�(chǎn)工藝研究,它的批量生�(chǎn)的成功必將帶來壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展�
1、按主要組成晶體�(jié)�(gòu)分類�
�(xiàn)已實用化的壓電陶瓷材料主要分為:
�1)鈣鈦結(jié)�(gòu)� perovskite structure
具有鈣鈦礦結(jié)�(gòu)的鐵�,壓電陶瓷屬于ABO3型氧八面�,其中A為一價或二價金屬離子,而B為四價或五價金屬。半徑較大的A正離�,半徑較小的B正離子和氧離子分別位于晶胞格子的頂角,體心和面心。如圖所示。這種�(jié)�(gòu)也可看成是一組BO6八面體按簡立方圖樣排列而成,各氧八面體由公有的氧離子聯(lián)�(jié),A正離子占�(jù)氧八面體之間的空�,鈣鈦礦原胞是立方的,也可畸變成具有三角和四方對稱�。鈦酸鋇,鈦酸鉛,鋯鈦酸鉛和KxNa1-xNbO3等鐵電壓電陶瓷具有鈣鈦礦�(jié)�(gòu)�
?�?)鎢青銅�(jié)�(gòu) tungsten-bronze structure
具有鎢青銅結(jié)�(gòu)的鐵�,壓電陶瓷也屬于ABO3型氧八面體鐵電體,一個四方晶胞包�10個BO6八面�,它們由其頂角按一定方式聯(lián)�(jié)而成� 偏鈮酸鉛和鈮酸鍶鋇等鐵電壓電陶瓷具有鎢青銅結(jié)�(gòu)�
?�?)鉍層狀�(jié)�(gòu) bismuth layer structure
鉍層狀�(jié)�(gòu)可以看成是由其氧八面體類鈣鈦礦層與{Bi2O12}層交替疊成的。其中類鈣鈦礦層可以是一層{如Bi2WO6},二層{如PbBi2Nb3O9},三層{如Bi4Ti8O12}以至五層。在類鈣鈦礦層中,其正離子可被許多離子取代�
?�?)焦綠石�(jié)�(gòu) pyrochlore structure
焦綠石結(jié)�(gòu)是由共同頂角的{NbO6或TaO6}氧八面體組成,而較大的Cd2+{或Pb2+}離子位于氧八面體之間的間隙中。這種�(jié)�(gòu)的鐵電體僅出�(xiàn)在Cd2Nb2O2, Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限幾種化合物��
2� 按主要組成組元分類:
?�?)單元系陶瓷unit system ceramics
實用的單元系其結(jié)晶構(gòu)造幾乎都是BaTiO3為代表的鈣鈦礦結(jié)�(gòu)和PbNbO6等的鈣青銅結(jié)�(gòu):屬于鈣鈦礦�(jié)�(gòu)的單元系材料有①BaTiO3、②PbTiO3、③PbZrO3、④居里點高的BiNaTi2O6(Tc=320�),BiKTiO6(380�),Pb2FeNb6(112�)� Pb3ZnNb2O3(140℃)等壓電陶�。屬于鎢青銅型結(jié)�(gòu)的單元系壓電陶瓷有①PbNb2O6②PbTa2O6③用Sr.Pb和稀土等置換Ba就得到屬于鎢青銅型結(jié)�(gòu)的化合物BaNb2O3
a.鈦酸鋇陶� barium titanate ceramics
鈦酸鋇陶瓷是一種具有典型鈣鈦礦�(jié)�(gòu)的鐵電陶瓷。它通常是以碳酸鋇和二氧化鈦為主要原�,預先合成后再在高溫下燒�(jié)而成��
b.鈦酸鉛陶� lead titanate ceramics
鈦酸鉛陶瓷是具有鈣鈦礦性結(jié)�(gòu)的鐵電陶�。它通常是由四氧化三鉛{或氧化鉛}和二氧化鈦以及少量添加物預先合成后再在高溫下燒結(jié)而成的�
?�?)二元系陶瓷 binary system ceramies
二元系壓電陶瓷是倆種化學通式ABO3型結(jié)�(gòu)的化學物所形成的固溶體,其中A代表二價的正離子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一價正離子K+,Na+�,B代表四價的正離子Zr4+,Ti4+或五價的Nb5+等。最常見的二元系壓電陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。通過�(diào)節(jié)兩種ABO3型結(jié)�(gòu)的克分子比,以及用取代元素和添加物改性的方法,可以獲得各種不同用途的材料�
鋯鈦酸鉛陶瓷 Lead zirconate ceramic
PbZrxTi{1-x}O3鋯鈦酸鉛陶瓷通常簡稱為PZT陶瓷,這種壓電陶瓷目前受到廣泛�(yīng)�。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶體,具有鈣鈦礦型結(jié)�(gòu),當鋯鈦比為53/47左右{即共晶相界附近}�,具有最強的壓電性能�
?�?)三元系陶瓷 ternary system ceramics
三元系陶瓷通常是在具有鈣鈦礦性結(jié)�(gòu)的鋯鈦酸鉛{PbZrO3-PbTiO3}中二元系再增加第三種{化學通式為ABO3型}化合物而形成的三元系固溶體。所增加的第三種成分,它們的共同特點是在摻入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶體后不改變整個晶格的鈣鈦礦型�(jié)�(gòu)�
維庫電子通,電子知識,一查百��
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