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让我们来聊聊“压电陶瓷”
2021年09月07日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:192
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陶瓷是古老中国的代名词,历史悠久,种类繁多。陶瓷从花瓶、碗碟等器皿发展到现在的功能陶瓷,主要在于功能陶瓷晶体的微观极化特性的发现。功能陶瓷是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料,主要包括压电、介电、热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料,其中压电陶瓷是功能陶瓷领域的主流材料之一。

 

单板型压电陶瓷 图片来源:京瓷官网

、什么是压电陶瓷

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。其中,锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷,是一种二元固溶体,它呈现出 ABO3 型的钙钛矿结构,是一种应用极为广泛的压电材料。                 

二、什么又是压电效应

某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时﹐内部产生极化的同时﹐在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷,此现象称为压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体因机械应力的作用而使其介质化﹐并使其表面荷电的效应。反之﹐当在晶体外部施加电场时,受电场影响的晶体会产生机械形变﹐称为逆压电效应。


正压电效应              逆压电效应

三、为什么能实现“压电”

压电陶瓷要有两个条件:一是晶粒有铁电性;二是经过强直流电场极化处理。所有的铁电单晶都具有压电效应,但是对于铁电陶瓷(陶瓷是多晶体)则需要经过高压直流极化处理。这是因为陶瓷内部的各晶粒虽然存在自发极化,具有铁电性,但是其自发极化电畴的取向是完全随机的,宏观上并不具有极化强度。在高压直流电场作用下电畴沿电场方向定向排列,而且在电场去除后,这种定向状态大部分能够被保留下来,所以陶瓷呈现压电效应。

 

压电陶瓷人工极化过程

四、压电陶瓷材料的分类

目前,压电陶瓷体系主要包括钨青铜结构、铋层状结构、钙钛矿结构三大类压电陶瓷材料。

1)钨青铜结构陶瓷

钨青铜结构是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体。该晶体也是由氧八面体以共顶点的形式联接而成的。氧八面体以共顶点的形式沿四重轴形成堆垛,各堆垛再以共顶点的形式联接起来。目前被广泛研究体系要有(SrxBa1-x)Nb2O6(AxSr1-x)NaNb5O15 A=Ba,Ca,Mg 等)、以及Ba2AgNb5O15等。

特点:具有自发极化强度大、居里温度较高(300℃左右)、介电损耗较低等优点,但是结温度较高,难于制备,而且温度稳定性较差。


钨青铜结构晶胞在(001)面的投影

 

2)铋层状结构陶瓷

铋层状结构陶瓷是一种含Bi的有氧八面体的层状结构化合物铁电体。目前研究较多主要包括:Bi4Ti3O12SrBi4Ti4O15SrBi2Nb2O9,及其改性的化合物等。

特点:电学性能各向异性明显,机械品质因数高,居里温度高,相对介电常数低,电阻率高,介电击穿强度高,谐振频率的时间和温度稳定性好。但是,此类陶瓷的缺点也很明矫顽场比较高,不容易极化,压电活性较低。


铋层陶瓷结构示意图

3)钙钛矿结构陶瓷

目前研究最广泛的晶体结构为钙钛矿结构,该类结构的化学式可写为ABO3型,其中A为一价或二价金属离子,而B为四价或五价金属。半径较大的A正离子,半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角,体心和面心。被广泛应用研究主要有钛酸钡,钛酸铅,错钛酸铅和 KxNa1-xNbO3等。


钙钛矿结构示意图

五、压电陶瓷的制备工艺

压电陶瓷制备过程主要包括陶瓷原料粉体的合成、成型、烧结、被电极和极化等几个主要过程。在这些过程中,伴随着一系列的物理和化学变化。压电陶瓷的性能与材料的组分和制备工艺有直接的关系,所以一整套稳定合理的工艺参数是获得优异材料性能的重要保证。


工艺名称

目的

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

混合磨细

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。 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条件

预烧

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。

二次磨细

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

造粒

使粘合剂更均匀,使成型样品的密度更均匀,排出颗粒间的空气,有利于成型和致密。

成型

指在较高温度下成型坯体发生体积收缩、密度提高和强度增加的过程

排塑

防止因高温下的分解、挥发而导致样品胚体在烧结过程中变形、开裂。

烧结成瓷

将坯体加热到足够高的温度但低于熔点使陶瓷坯体体积收缩、密度提高和强度增大的过程

外形加工

将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

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。

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。

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。

 1 各制备工艺简介

六、压电陶瓷材料的应用

由于压电陶瓷材料具有正逆压电效应,其在压电传感器、驱动器、换能器和滤波器等器件中得到了广泛的应用。应用范围覆盖航空航天、军事、信息电子、工业机械、医疗、汽车等众多领域。压电陶瓷具有性能高、成本低、易于加工制备等特点,是目前压电驱动器最主要的驱动材料。

 

压电材料典型应用


总结

压电效应技术以其特有的优势在能源需求不断增长的今天﹐得到了日益广泛的应用。其中压电陶瓷是一种重要的功能材料,具有优异的压电、介电和光电等电学性能,被广泛地应用于电子、航空航天、生物等高技术领域。随着新兴领域的飞速发展和经济社会新的发展需求,未来对压电陶瓷的性能会有更高的要求。如:高居里温度、高机电耦合系数和机械品质因数及环保、无铅、复合、纳米压电陶瓷必将成为今后的研究重点。

 

参考来源:

1、关于压电陶瓷的初步认识 孙沁瑶

2、压电陶瓷的应用进展与发展趋势 程仁志等

3、压电材料及压电效应的应用 宋海龙等

4、铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备与物性的研究 姚卫增

5、BiFeO3-BaTiO3基无铅压电陶瓷电导与应变性能研究 王磊



作者:晴天

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