四、压电材料的发展现状
• 细晶粒压电陶瓷 • PbTiO3系压电材料
• 压电陶瓷-高聚物复合材料
• 压电性特异的多元单晶压电体
细晶粒压电陶瓷 • 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的 多畴晶粒组成的多晶材料，。减小粒径至 亚微米级，可以改进材料的加工性，可将 基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换 能器阵列的损耗，提高器件的机械强度， 减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动 电压，这对提高叠层变压器、制动器都是 有益的。减小粒径有好处，但同时也带来 了降低压电效应的影响。
超声波传感器
2.压电驱动器
• 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变 为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要 以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向 效应和纵向效应两种方式。
3.传感器上的应用
• 压电式压力传感器
• 压电式加速度传感器
• 压电式压力传感器是利用压电材料所具有的 压电效应所制成的。
压力传感器是我国传感器系统中应用最广的一类传感器，在精密测量、 自动化控制中起着重要的作用，在航天航空、汽车、冶金、化工等领域都得 到广泛的应用。 陶瓷质电容式压力传感器是80年代中期问世的一种新型压力传感器，该 传感器是利用先进的电子陶瓷技术，集成电路技术和厚膜平面安装电路技 术，采用零力学滞后的陶瓷和陶瓷密封材料进行设计的一种干式压力传感器 同以住的压力传感器相比： 1、蠕变小、滞后差、反应速度快； 2、有较强的抗冲击、抗过载能力； 3、精度高，温度漂移小； 4、抗干扰能力强，测量重复性强； 5、耐温、耐腐蚀性也有很大改善。
二、压电材料及其应 用
主要内容
• 压电材料的定义 • 压电材料的分类 • 压电陶瓷的工艺 • 压电材料的应用
• 压电材料的发展现状
一、压电材料的定义
• 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电 压的晶体材料。
压电石英晶体材料
压电效应
• 1880年，法国物理学家P. 居 里和J.居里兄弟发现，把重物 放在石英晶体上，晶体某些表 面会产生电荷，电荷量与压力 成比例。这一现象被称为压机器人接近觉中的应用
• 一，在接触对象物体 之前，获得必要的信 息，为下一步运动做 好准备工作； • 二，探测机器人手和 足的运动空间中有无 障碍物。 • 三，为获取对象物体 表面形状的大致信息。
超声波流量传感器压电陶瓷晶片
超声波是人耳听不见的一种机械波，频率 在20KHZ以上。超声波因其波长较短、绕射 小，而能成为声波射线并定向传播，机器 人采用超声传感器的目的是用来探测周围 物体的存在与测量物体的距离。一般用来 探测周围环境中较大的物体，不能测量距 离小于30mm的物体。 超声传感器包括 超声发射器、超声接受器、定时电路和控 制电路四个主要部分。
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
陶瓷压力传感器
压电式压力传感器的优点是具有自生 信号输出信号大，较高的频率响应， 体积小，结构坚固。其缺点是只能用 于动能测量。需要特殊电缆，在受到 突然振动或过大压力时，自我恢复较 慢。
• 压电式加速度传感器又称 压电加速度计。它也属于 惯性式传感器。它是利用 某些物质如石英晶体的压 电效应，在加速度计受振 时，质量块加在压电元件 上的力也随之变化。当被 测振动频率远低于加速度 计的固有频率时，则力的 变化与被测加速度成正比。
的性能要求。
•
相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电 常数高、可以加工成任意形状，但机械品 质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因 而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应 用，但对高频、高稳定应用不理想。石英 等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受 切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高， 机械品质因子高，多用来作标准频率控制 的振子、高选择性（多属高频狭带通）的 滤波器以及高频、高温超声换能器等。
• 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外 力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同 时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这 种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的 极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形， 电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种 现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压 电传感器。
2.有机压电材料
• 又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜） 及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这 类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电 电压常数(g)等优点。 • 复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材 料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料 构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领 域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不 仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易 受损且可用与不同的深度。
八、烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。
九、外形加工:将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。 十、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。
十一、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。
十二、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
二、压电材料的分类
无机压电材料 有机压电材料
压电材料
换能器
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电 效应的晶体就叫压电晶体。 压电晶体一般指压电
单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α -石英）是一种有名的压 电晶体。
四、二次细磨:目的是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。
五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行
但效率较低，目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。
六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。
七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。
三、压电材料的应用
• 压电材料的应用领域可以分为两大类： 即振动能-电能换能器和超声振动能电能换能器应用，包括电声换能器， 水声换能器和超声换能器等，以及其 它传感器和驱动器应用。
1.换能器
• 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱 动下产生机械振动的器件。利用上述原理可生 产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声 器。
PbTiO3系压电陶瓷
• PbTiO3（钛酸铅）系压电陶瓷具最适合制作 高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶 瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的 问题，抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒 细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年， 改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高 频器件方面得到了广泛应用。目前该材料 的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作 者关心的课题。
用压电晶体元件自制耳机
• 压电陶瓷：一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶
瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的 材料。压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆钛酸 铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改 性钛酸铅PT等。
压电陶瓷片
压电陶瓷的工艺
一、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，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细: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
备条件.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。
三、预 烧：目的是在高温下,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。
压电陶瓷-高聚物复合材料 • 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。