无铅压电材料
迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系有： 1.BaTiO3基无铅压电陶瓷 a（1-x） BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等） I II I II b （1-x） BaTiO3-xA B O3 （A =K、Na，B =Nb、Ta） c（1-x） BaTiO3-xAII0.5NbO3 （AII=Ca、Sr、Ba）
材料 Kp Kt d33 (PC/N)
g33 (×10－3Vm/N)
F15-6 15PZTPZT-4 F15-7 15F C-1 P-5 PS PZTPZT-8 F3 SW2 SW3 PGB PZTPZT-7 F 2-6 BTBT-2
0.62 0.58 0.52 0.57 0.58 0.55 0.59 0.59 0.51 0.56 0.32
压电材料性能指标 压电材料性能指标
Kt Kp
K33 K15 K31
3、机械品质因数Qm
压电材料性能指标 压电材料性能指标
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm 是反映能量消耗大小的一个参数。 越大，能量消耗越小。 是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数 的定义式是： Qm的定义式是：
压电材料概述
压电陶瓷
优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状，价格 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状， 便宜。 便宜。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm) (kV/mm)。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
压电聚合物
优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm) 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)
五元系 压电陶瓷
Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-Pb(Cd1/2W1/2)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3
压电陶瓷系统 压电陶瓷系统
d33=56(10-12库/牛) g33=33(10-3伏·米/牛) 米 工艺性差 粉化，PbO易挥发 易挥发） （粉化，PbO易挥发）
二元系Pb(ZrTi)O 二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷
相 结 构 晶体结构 居里温度 Tc 类 别 <Tc >Tc PbZrO3 PbTiO3 钙钛矿结构 钙钛矿结构 正交晶系 正交晶系 230℃ 490℃ 230℃ 490℃ 反铁电体 铁电体 c/a= c/a =0.981<1 c/a=1.063>1 立方顺电相
4、频率常数N 频率常数N
压电材料性能指标 压电材料性能指标
对某一压电振子， 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度 的乘机为一个常数， 频率常数。 的乘机为一个常数，即频率常数。
N=fr×l
其中： 其中： fr为压电振子的谐振频率； 为压电振子的谐振频率； 为压电振子振动方向的长度。 l为压电振子振动方向的长度。
压电陶瓷系统 压电陶瓷系统
2.Bi1/2Na1/2TiO3基无铅压电陶瓷
a b c d e (1-x)BNT-xBi0.5K0.5TiO3 (1-x)BNT-xATiO3(A=Ba、Sr、Ca或由它们组成的复合离子） (1-x)BNT-xAINbO3（AI=K、Li、Na） (1-x)BNT-xAIBIIO3（AI=Bi、La；BII=Cr、Fe、Sc、Mn） (1-x)BNT-xBaTiO3-yBiFeO3
薄圆片径向振动 薄板厚度伸缩振动 细长棒K 细长棒 33振动 薄板切变K 薄板切变 15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
D为圆片的直径 为圆片的直径 t为薄板的厚度 为薄板的厚度 l为棒的长度 为棒的长度 lt为薄板的厚度
压电陶瓷系统 压电陶瓷系统
压电陶瓷是什么？ 压电陶瓷是什么？
Qm = 2π 谐振时振子储存的机械能 每一谐振周期振子所消耗的机械能
f a2 Qm = 2πf r R(C0 + C1 )( f a2 − f r2 )
其中： 其中： fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗 min（谐振电阻） 为谐振频率时的最小阻抗Z 谐振电阻） 为谐振频率时的最小阻抗 C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
压电材料性能指标 压电材料性能指标
1、压电常数d33
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电 场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z 轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：
D3 = d 33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极 面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；D3 为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或 机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场 （E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的 耦合关系和压电效应的强弱。
因此，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。
多元系Pb(TiZr)O 多元系Pb(TiZr)O3压电陶瓷
一些性能往往是互相克制的， 一些性能往往是互相克制的，如： 增加↑ Qm 增加↑ ，则KP减小 ↓ ； ε增加↑，则tanδ增大↑ ； 增加↑ tanδ增大↑ 增大 KP增加 ↑，则热稳定性↓。 则热稳定性↓ 国内比较常见的PZT瓷料的性能K =0.10～0.40， 国内比较常见的PZT瓷料的性能KP=0.10～0.40， PZT瓷料的性能 =500～ ,具有比较宽的覆盖范围 具有比较宽的覆盖范围， Qm=500～3600 ,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电 器件的要求，但这些性能都不是最佳值。 器件的要求，但这些性能都不是最佳值。 1965年以来，人们通过在PZT的基础上再固溶另一种组 1965年以来，人们通过在PZT的基础上再固溶另一种组 年以来 PZT 而形成的三元系、 分更复杂的复合钙钛矿化合物Pb(B 分更复杂的复合钙钛矿化合物Pb(B1B2)O3而形成的三元系、 四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。 四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。
压电陶瓷系统 压电陶瓷系统
3.NaNbO3基无铅压电陶瓷 A（1-x）NaNbO3-xAINb2O6 b（1-x）NaNbO3-xAITiO3 4.铋层状结构压电陶瓷 a Bi4Ti3O12基无铅压电陶瓷 b MBi4Ti4O15基无铅压电陶瓷 c MBi2Nb2O9基无铅压电陶瓷（M=Sr、Ca、Ba、 Na0.5Bi0.5等) d 复合铋层状结构压电陶瓷
4.压电复合材料 4.压电复合材料
压电陶瓷与聚合物的复合，同时兼具陶瓷的高压电性能，又有聚合物的 韧性，一些指标特别优异。0-3型、1-3型、3-3型。
各种压电材料的优缺点
压电单晶 优点： 值较大，有良好的温度特性。 优点：Q值较大，有良好的温度特性。 缺点：制程困难，价格贵。 缺点：制程困难，价格贵。
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体） 的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦 合系数,。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
压电材料与应用
主要内容 1.压电材料概述 1.压电材料概述 2.压电材料的性能指标 2.压电材料的性能指标 3.压电陶瓷体系 3.压电陶瓷体系 4.压电陶瓷制备工艺 4.压电陶瓷制备工艺 5.压电材料的应用 5.压电材料的应用
压电材料概述
压电材料的原理
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引 起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励 电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
是一种具压电效应的多晶体。 是一种具压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。
压电陶瓷材料分类
压电陶瓷系统 压电陶瓷系统
钛酸铅(PbTiO3)系压电陶瓷； 锆酸铅(PbZrO3)系压电陶瓷 压电陶瓷 ： 1 1）一元系压电陶瓷； 2）二元系压电陶瓷； 3）三元系压电陶瓷； 4）四元系压电陶瓷。 锆钛酸铅 PbTiO3-PbZrO3(PZT) 1965年问世的PCM，它由锆 酸铅PbZrO3钛酸铅PbTiO3铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。
2、机电耦合系数Kp
压电材料性能指标 压电材料性能指标
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关 系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系 数的定义是：
通过逆压电效应转换所得的机械能 K = 转换时输入的总电能
2
或
K2 = 通过正压电效应转换所得的电能 转换时输入的总机械能
一元系压电陶瓷
BaTiO3陶瓷 工作温区窄 Tc=120℃ 热稳定性差 易极化 Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏·米/牛) 米 工艺性好
压电陶瓷系统 压电陶瓷系统
PbTiO3陶瓷 工作温区宽 Tc=490℃ 热稳定性好 难极化 Kp =0.095
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3
三元系
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3
压电陶瓷