壓電陶瓷的發(fā)展及其應用
2017-10-23 15:25:17
簡介
壓電陶瓷是指把氧化物混合(氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等)高溫燒結、固相反應后而成的多晶體，并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。
由于具有較好的力學性能和穩(wěn)定的壓電性能，壓電陶瓷作為一種重要的力、熱、電、光敏感功能材料，已經(jīng)在傳感器、超聲換能器、微位移器和其它電子元器件等方面得到了廣泛的應用。
隨著材料工藝的不斷研究和改良，以及電子、信息、航空航天等高科技領域日新月異的發(fā)展，作為含高智能新型材料的壓電陶瓷的生產(chǎn)技術和應用開發(fā)是人們關注的熱門課題。
壓電陶瓷壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料，與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區(qū)別是：構成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒。
由于陶瓷是晶粒隨機取向的多晶聚集體，因此其中各個鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的. 為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成并于端面被復電極之后，將其置于強直流電場下進行極化處理，以使原來混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場方向擇優(yōu)取向經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷，在電場取消之后，會保留一定的宏觀剩余極化強度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì).
發(fā)展歷史
1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應，從此開始了壓電學的歷史。
1881年，居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。
1894年，Voigt指出，僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應，石英是壓電晶體的一種代表，它被取得應用。第一次世界大戰(zhàn)，居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應，制成了水下超聲探測器，用于探測潛水艇，從而揭開了壓電應用史篇章。
壓電材料及其應用取得劃時代的進展應歸咎于第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷，1947年，美國Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高壓進行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性，隨后，日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應用研究，這種研究一直進行到50年代中期。
1955年，美國B.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了比BaTiO3壓電性更優(yōu)越的PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了一大步。BaTiO3時代難于實用化的一些用途，特別是壓電陶瓷濾波器和諧振器，隨著PZT的問世，而迅速地實用化，應用聲表面波(SAW)的濾波器、延遲線和振蕩器等SAW器件，在七十年代后期也取得了實用化。
80年代后期至今，人們研制出馳豫鐵電體陶瓷材料，在此基礎上有成功研制出馳豫鐵電體單晶材料，為三維超聲波成像奠定了基礎。目前，人們將納米技術應用到壓電材料的制作工藝上已取得新的突破。
目前，世界各國正在大力研制開發(fā)無鉛壓電陶瓷，以保護環(huán)境和追求健康...
應用
自1942年第一個陶瓷型壓電材料鈦酸鋇誕生以來，作為壓電陶瓷的應用產(chǎn)品，已遍及人們生活的各個方面。壓電材料作為機電耦合的紐帶，其應用大致可分為兩大方面:以壓電諧振器為代表的壓電陶瓷頻率控制器件方面的應用和作為機械能與電能相互轉換的準靜態(tài)的應用。
1、壓電振子與壓電陶瓷頻率控制器件
極化后的壓電陶瓷，即壓電振子，具有由其尺寸所決定的固有振動頻率，利用壓電振子的固有振動頻率和壓電效應可以獲得穩(wěn)定的電振蕩。當所加電壓的頻率與壓電振子的固有振動頻率相同時會引起共振，振幅大大增加。此過程交變電場通過逆壓電效應產(chǎn)生應變，而應變又通過正壓電效應產(chǎn)生電流，實現(xiàn)了電能和機械能最大限度地互相轉換。利用壓電振子這一特點，可以制造各種濾波器、諧振器等器件。
這些器件具有成本低、體積小、不吸潮、壽命長，頻率穩(wěn)定性好，等效品質(zhì)因數(shù)比LC濾波器高，適用的頻率范圍寬，精度高，特別是用在多路通訊、調(diào)幅接收以及各種無線電通訊和測量儀器中能提高抗干擾能力。所以目前已取代了相當大一部份電磁振蕩器和濾波器，而且這一趨勢還在不斷發(fā)展中。
2、壓電變壓器
壓電變壓器是利用壓電效應的電能和機械能相互轉換的特性制備而成，由輸入端和輸出端兩部分組成，其電極化方向相互垂直。輸入端沿厚度方向極化，施加交變電壓后作縱向振動，由于逆壓電效應，輸出端就會有高壓輸出。
壓電陶瓷變壓器是一種新型固態(tài)電子器件，與傳統(tǒng)的電磁式變壓器相比具有結構簡單、體積小、重量輕、變壓比大、穩(wěn)定性好、無電磁干擾及噪聲、效率高、能量密度大、安全性高、無繞組、不可燃燒、無漏磁現(xiàn)象及電磁輻射污染等的優(yōu)點。
依據(jù)壓電陶瓷變壓器的工作模式可分為如下幾類：Rosen型壓電陶瓷變壓器、厚度振動模式壓電陶瓷變壓器、徑向振動模式壓電陶瓷變壓器等。
近年來又出現(xiàn)了一些性能更好的壓電變壓器，如兩輸入端的三階振動模式Rosen型壓電陶瓷變壓器和大功率多層壓電陶瓷變壓器。目前壓電陶瓷變壓器主要用作AC-DC、DC-DC等功率器件及高壓發(fā)生器件上，如液晶顯示器中的冷陰極管、霓虹燈管、激光管和小型X光管、高壓靜電噴涂、高壓靜電植絨和雷達顯示管的驅(qū)動等。
3、壓電換能器
壓電換能器是利用壓電陶瓷的壓電效應和逆壓電效應實現(xiàn)電能和聲能的相互轉化。壓電超聲換能器就是其中的一種，它是水下發(fā)射和接收超聲波的水聲器件。處于水中的壓電換能器在聲波的作用下，換能器兩端會感應出電荷來，這就是聲波接收器;若在壓電陶瓷片上施加一個交變電場，陶瓷片就會時而變薄時而變厚，同時產(chǎn)生振動，發(fā)射聲波，這就是超聲波發(fā)射器。
壓電換能器在工業(yè)中還被廣泛用作水中導航、海洋探測、精密測量、超聲清洗、固體探傷以及醫(yī)學成像、超聲診斷、超聲疾病治療等方面。當今壓電超聲換能器的另一個應用的領域是遙測和遙控系統(tǒng)，其具體應用實例主要有：壓電陶瓷蜂鳴器、壓電點火器、超聲顯微鏡等。
4、壓電超聲馬達
壓電超聲馬達是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產(chǎn)生超聲振動，將材料的微變形通過共振放大，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅(qū)動，無需通常的電磁線圈的新型微電機。
與傳統(tǒng)電磁馬達相比，具有成本低、結構簡單、體積小、高功率密度、低速性能好(可以實現(xiàn)低轉速運行而不用減速機構)、轉矩及制動轉矩大、響應快、控制精度高，無磁場和電場，沒有電磁干擾和電磁噪聲等特點。
壓電超聲馬達由于自身的特點和性能上的優(yōu)勢，廣泛應用于精密儀器、航天航空、自動控制、辦公自動化、微型機械系統(tǒng)、微裝配、精密定位等領域。目前，日本在該領域處于技術領先地位，已將壓電超聲馬達普遍用于照相機、攝像機的自動調(diào)焦，并形成規(guī)模系列產(chǎn)品。
5、發(fā)展趨勢
無鉛壓電陶瓷，也被稱為環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷，它要求陶瓷材料在制備、使用、廢棄處理過程中不產(chǎn)生對環(huán)境可能有害的物質(zhì)，以避免對人體健康造成危害，減少環(huán)境污染。然而，目前使用的壓電陶瓷材料主要以PZT為基材料，其壓電性能大大優(yōu)越于其它壓電陶瓷材料，而且可以通過摻雜改性和工藝控制調(diào)節(jié)材料的電學性能，以滿足各種應用需求。
當前工業(yè)上應用的各種含鉛壓電陶瓷材料中，氧化鉛的含量約占材料總質(zhì)量的60%以上，這些材料在元件制造、加工、儲運、使用及其廢棄物處理過程中，對人體和環(huán)境造成的危害是不言而喻的，因此無鉛系環(huán)境友好型壓電陶瓷材料是近年來研究與開發(fā)的重要方向和熱點課題。
目前，對無鉛系壓電材料的研究主要經(jīng)歷了從鈦酸鋇基、鈦酸鉍鈉基、鉍層狀結構、鈮酸鹽基和鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷的研究過程，其中鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷是最有應用前景的無鉛壓電材料。雖然無鉛壓電陶瓷的開發(fā)和研究已經(jīng)取得了較大的進步，但要讓無鉛壓電陶瓷完全取代鉛基壓電陶瓷還無可能，無鉛系壓電陶瓷的研究與開發(fā)還將任重而道遠。
6、壓電復合材料
為了在水聽器的應用中發(fā)揮作用，壓電復合材料在20世紀70年代逐步發(fā)展起來。壓電復合材料是由壓電陶瓷相和聚合物相按照一定的連接方式而構成的一種具有壓電效應的功能復合材料。
由于柔性聚合物相的加入，壓電復合材料的密度、聲阻抗、介電常數(shù)都降低了，而復合材料的優(yōu)值和機電耦合系數(shù)提高了，克服了單純的壓電陶瓷的脆性和壓電聚合物的高成本的弊端。壓電復合材料除了用作水聽器，還用于工業(yè)、醫(yī)療和通信領域。壓電復合材料經(jīng)過40多年的不斷研究，其應用研究已經(jīng)有了相當?shù)倪M展，但它的完整理論還尚未建立起來，其應用開發(fā)還有待充分挖掘。當前，壓電復合材料的研究主要集中在開發(fā)連接類型、改進成型工藝和制備多功能器件等方面。
7、納米壓電陶瓷
近年來隨著納米技術的飛速發(fā)展，納米陶瓷逐步受到人們的關注。納米粉體經(jīng)成型和燒結，形成致密、均勻的塊體納米陶瓷，材料的韌性、強度和超塑性大幅提高，克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁學、光學等性能產(chǎn)生重要影響。
通過精選材料組成體系和添加納米級顆粒、晶須、晶片纖維等加以改性，可以獲得高性能和低溫燒結兼優(yōu)的納米壓電陶瓷材料。通過控制納米晶粒的生長可獲得量子限域效應,以及性能奇異的鐵電體，以提高壓電熱解材料機電轉換和熱釋性能。近年迅速發(fā)展的各類壓電變壓器、壓電驅(qū)動器、大功率超聲焊接技術、壓電式振動給料器、超聲CVD新工藝和核電站相配套的大功率超聲工程都是納米陶瓷在壓電方面的應用。
