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1、第八章 铁电压电陶瓷,1,1,8.1 压电陶瓷,重点掌握的几个概念： 压电效应 预极化 准同型相界 软性取代 硬性取代,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,1,当外力F=0时，压电陶瓷表面存在一层表面电荷，其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等，符号与束缚电荷相反，因而晶体对外不显示电性。,在外力F的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电性压电效应。,在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同，则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生
2、了形变逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短；若加上交变电场，则晶体产生振动。,1,晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。 所有铁电单晶都具有压电效应。 对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使P =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极化处理，使P 0，才能对外显示压电效应。 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。,1,陶瓷的预极化示意图,1,压电材料分类： 压电单晶 压电陶瓷 压电聚合物 压电复合材料,1,压电陶瓷的晶体结构： 1. 钙钛矿结构 2. 钨青铜型结构 3. 铌酸锂型结构
3、 4. 铋层状结构,1,1. 钙钛矿结构,ABO3： A：1,2,3 Na，K，Ba2+，La3+ B：5,4,3 Nb5+,Ti4+，Fe3+,1,2. 钨青铜型结构,BO6氧八面体以顶角相连构成骨架。 B离子为Nb、Ta、W等。 BO6骨架间存在三种空隙：A1（较大）、A2（最大）、C（最小） 氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为B1和B2 填满型与非填满型。,钨青铜结构在（001)面上的投影,1,3. 铌酸锂型结构,顺电相,铁电相,氧八面体以共面形式重叠 Li位于氧八面体的公共面 Nb位于氧八面体中心 极化时，Li,Nb偏离中心位置，沿c轴出现电偶极矩,1,4. 铋层状结构,Bi4T
4、i3O12,1,铅基压电陶瓷,1. 单元系 2. 二元系 3. 三元系,1,单元系,PbTiO3 钙钛矿结构铁电体，Tc高，480。 各向异性大（c/a1.063），晶界能高，难以制备致密、机械强度高的陶瓷。 矫顽场强较大，预极化困难。提高极化温度有利于极化，但抗电强度下降，易击穿。 掺入少量稀土、NiO、MnO2等，可促进烧结。 晶粒大小与机电耦合系数k有关。,1,BaTiO3系与PbTiO3系压电陶瓷 自从18421843年之间美、日、苏联学者各自独立发现BaTiO3 中存在异常的介电现象，1847年又发现预极化后的BaTiO3陶瓷的压电性能，并制成压电元件用于拾音器、换能器； 二战期间，
5、 BaTiO3成功用于水声及电声换能器、通讯滤波器上，在很长的一段时间内，BaTiO3陶瓷是主要的压电陶瓷材料，但目前其作用范围在不断缩小。,1,PbNb2O6 钨青铜结构 Tc高（570） 压电系数的各向异性大，d33/d3110 机械品质因素特别低（Q11）,主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等,1,铅基二元系压电陶瓷,人们在1853年起开始试制成功PbZrO3-PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷，其各项压电性能和温度稳定性等均大大优于BaTiO3、PbTiO3压电陶瓷，因此得到了广泛的应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。 下面主要介绍二元系压电陶瓷PZT系陶瓷。,1,PbZrO3-
6、PbTiO3系陶瓷的相结构,PbZrO3和PbTiO3的结构特点比较： PbZrO3 PbTiO3 结构 钙钛矿结构 钙钛矿结构 Tc (立方顺电) 230（正交晶系） 480 类别 反铁电体 铁电体 1(1.063) Tc 立方顺电相 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，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。,1,1,PZT瓷的掺杂改性: 为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+,Ti4+离子，从而改进材料的性能。,1,a. 等价A位取
7、代 等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二价离子取代Pb2+，结果使PZT瓷的，KP ，d，从而提高PZT瓷的压电性能。,b. 软性取代改性（高价缺位取代） 所谓“软”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC ，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。 软性取代采用La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb2+离子或Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子。经取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：,1,c. 硬性取代改性（低价取代） 硬性取代采用K+，Na+取代A位的Pb2+离子，Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、
8、Mg2+、Al3+、Ga3+、In3+、Cr3+ 等离子取代B位的Ti4+，Zr4+离子。 取代后Ec ，极化变难，性质变“硬”。 作用：Ec 、KP 、tg 、Qm （抗老化性 ）、v ,1,硬性添加剂加入后极化困难，只有在高温下预极化，但T 时v ，这就使预极化场强不能太高，从而Ps 这是K P 的一个原因。 硬性添加剂加入后形成 ，由于 不可能很多，否则将破坏钙钛矿结构（氧八面体共顶点形成骨架），因而硬性添加剂固溶度有限，多余部分向晶界偏析，可抑制晶粒生长，使晶粒细化，材料致密，从而Qm 。,1,d 软硬兼施 PZT中加入W(软)、Mn(硬)可使KP 、 Qm ，软硬兼优； 加Nb2O5
9、(软)、Al2O3(硬) 软硬抵消,1,三元系铅基压电陶瓷,a、所谓三元系压电陶瓷，是在PZT的基础上再添加三元-复合钙钛矿型物质(A,A)(B,B)O3 而组成的。在实际大多数多元系压电陶瓷中，A位元素仍是铅，所改变的只是处于八面体中的B位的元素。因此：在钙钛矿结构的三维八面体网中，在相互固溶的情况下，八面体的中心将有四种或更多电价不一定为4的元素（包括Zr和Ti）统计地均匀分布，改变其元素种类与配料，就可调整、优选出一系列具有特殊性能的压电陶瓷。P124表5-5及P125表5-6分别为常见三元系压电陶瓷瓷料组成及“复合金属离子组合”。,1,b. 特性：,1,无铅压电陶瓷,1. BaTiO3基 2. Bi0.5Na0.5TiO3基 3. 铌酸盐系 4. 铋层状结构,1,8.2 铁电陶瓷,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,