1、7-1 壓電陶瓷7-2 透明電光陶瓷第七章(2) 壓電陶瓷7-1-1 壓電材料概述7-1-2 壓電陶瓷的主要參數(shù)7-1-3 鉛基壓電陶瓷7-1-4 無(wú)鉛壓電陶瓷 7-1 壓電陶瓷重點(diǎn)掌握的幾個(gè)概念： 壓電效應(yīng) 預(yù)極化 準(zhǔn)同型相界 軟性取代 硬性取代 7-1 壓電陶瓷7-1-1 壓電材料概述正壓電效應(yīng)：在沒(méi)有對(duì)稱中心的晶體上施加機(jī)械作用時(shí)，發(fā)生與機(jī)械應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體的兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，則產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。 正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這種性質(zhì)稱為晶體的壓電性。 7-1 壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料

2、能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。 7-1 壓電陶瓷壓電效應(yīng)的可逆性 7-1 壓電陶瓷 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 7-1 壓電陶瓷石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖（a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿

3、光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 7-1 壓電陶瓷(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 7-1 壓電陶瓷石英晶體壓電模型(a) 不受力時(shí)； (b) x軸方向受力； (c) y軸方向受力 （b）無(wú)外力時(shí)1000晶面 (c)x軸受壓時(shí)1000晶面 (d) y軸受壓時(shí)1000晶面圖 石英晶體的壓電效應(yīng)示意圖 當(dāng)外力F=0時(shí)，壓電陶瓷表面存在一層表面電荷，其大小與壓電陶瓷的束縛電荷相等，符號(hào)與束縛電荷相反，因而晶體對(duì)外不顯示電性。 7-1 壓電陶瓷 在外力F的作用下，壓電陶瓷產(chǎn)生形變，晶體的極化強(qiáng)度發(fā)生變化，因而表面束縛電荷變化，晶體對(duì)外顯示電性壓電效應(yīng)。 在壓電陶瓷上加上電場(chǎng)，設(shè)

4、電場(chǎng)方向與極化方向相同，則晶體的極化加強(qiáng)，晶體沿極化方向伸長(zhǎng)，產(chǎn)生了形變逆壓電效應(yīng)。若加上反向場(chǎng)強(qiáng)，則晶體沿極化方向縮短；若加上交變電場(chǎng)，則晶體產(chǎn)生振動(dòng)。晶體具有壓電性的必要條件是晶體不具有對(duì)稱中心。所有鐵電單晶都具有壓電效應(yīng)。對(duì)于鐵電陶瓷來(lái)說(shuō)，雖然各晶粒都有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)，但由于晶粒和電疇分布無(wú)一定規(guī)則，各方向幾率相同，使P =0，因而不顯示壓電效應(yīng)，故必須經(jīng)過(guò)人工預(yù)極化處理，使P 0，才能對(duì)外顯示壓電效應(yīng)。 陶瓷的壓電效應(yīng)來(lái)源于材料本身的鐵電性，所有壓電陶瓷也應(yīng)是鐵電陶瓷。 7-1 壓電陶瓷陶瓷的預(yù)極化示意圖 7-1 壓電陶瓷(a) 極化前電致伸長(zhǎng)(b) 預(yù)極化后E剩余伸長(zhǎng)(c) 預(yù)極化后

5、撤出外場(chǎng)壓電材料分類：壓電單晶壓電陶瓷壓電聚合物壓電復(fù)合材料 7-1 壓電陶瓷應(yīng)用舉例：水聲技術(shù)：水聲換能器超聲技術(shù)：超聲清洗、超聲乳化、超聲分散高電壓發(fā)生裝置：壓電點(diǎn)火器、引燃引爆、壓電變壓器電聲設(shè)備：麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、壓電耳機(jī)傳感器：壓電地震儀壓電驅(qū)動(dòng)器。 7-1 壓電陶瓷壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)：1. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)2. 鎢青銅型結(jié)構(gòu)3. 鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)4. 鉍層狀結(jié)構(gòu) 7-1 壓電陶瓷1. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABO3：A：1,2,3Na，K，Ba2+，La3+B：5,4,3Nb5+,Ti4+，F(xiàn)e3+ 7-1 壓電陶瓷2. 鎢青銅型結(jié)構(gòu) BO6氧八面體以頂角相連構(gòu)成骨架。 B離子為Nb、Ta、W等。 BO6

6、骨架間存在三種空隙：A1（較大）、A2（最大）、C（最?。?氧八面體中心因所處位置的對(duì)稱性不同可能為B1和B2 填滿型與非填滿型。鎢青銅結(jié)構(gòu)在（001)面上的投影 7-1 壓電陶瓷3. 鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)順電相鐵電相 7-1 壓電陶瓷 氧八面體以共面形式重疊 Li位于氧八面體的公共面 Nb位于氧八面體中心 極化時(shí)，Li,Nb偏離中心位置，沿c軸出現(xiàn)電偶極矩4. 鉍層狀結(jié)構(gòu)Bi4Ti3O12 7-1 壓電陶瓷7-1-2 壓電陶瓷的主要參數(shù) 作為介電材料，可用介電系數(shù)，介電損耗tg，絕緣電阻率和抗電強(qiáng)度Eb等表征。 作為壓電材料，還必須補(bǔ)充一些參數(shù)： 壓電系數(shù)d、g 機(jī)電耦合系數(shù)k 機(jī)械品質(zhì)因素Q 頻率

7、系數(shù)N 7-1 壓電陶瓷 壓電系數(shù)d ：?jiǎn)挝粰C(jī)械應(yīng)力T所產(chǎn)生的極化強(qiáng)度P （C/N） 或：?jiǎn)挝浑妶?chǎng)強(qiáng)度V/x所產(chǎn)生的應(yīng)變x/x （m/V） 常用的為橫向壓電系數(shù)d31和縱向壓電系數(shù)d33（腳標(biāo)第一位數(shù)字表示壓電陶瓷的極化方向；第二位數(shù)字表示機(jī)械振動(dòng)方向）。四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)有三個(gè)獨(dú)立的壓電系數(shù)d31 、d33和 d15 。反映應(yīng)力（應(yīng)變）和電場(chǎng)（電位移）間的關(guān)系 7-1 壓電陶瓷 壓電電壓系數(shù)g：?jiǎn)挝粦?yīng)力T所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度E；或單位電荷所產(chǎn)生的形變。 （Vm/N）d和g實(shí)質(zhì)上是相同的，只是在不同的角度反映了材料的壓電性能，d用得較為普遍，g常用于接收型換能器、拾音器，高壓發(fā)生器等場(chǎng)合。 7-1 壓

8、電陶瓷 機(jī)電耦合系數(shù)k 或 Kp是壓電材料進(jìn)行機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換的能力反映。它與材料的壓電系數(shù)、和彈性常數(shù)等有關(guān)，是一個(gè)比較綜合的參數(shù)。 機(jī)電耦合系數(shù)反映了機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換效率，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因而K總是小于1的。 7-1 壓電陶瓷 不同材料的k值不同；同種材料由于振動(dòng)方式不同，k值也不同。 常用的有橫向機(jī)電耦合系數(shù)k31、縱向機(jī)電耦合系數(shù)k33 、以及沿圓片的半徑方向振動(dòng)的平面機(jī)電耦合系數(shù)kp（或稱徑向機(jī)電耦合系數(shù)kr）。 7-1 壓電陶瓷 7-1 壓電陶瓷Z極化方向振動(dòng)方向柱狀振子K33（縱向機(jī)電耦合系數(shù)）Z振動(dòng)方向Y條狀振子K

9、31（橫向耦機(jī)電合系數(shù)）X極化方向Z極化方向圓片振子Kp（平面機(jī)電耦合系數(shù)）Kr（徑向機(jī)電耦合系數(shù)） 機(jī)械品質(zhì)因素Qm 7-1 壓電陶瓷 逆壓電效應(yīng)使壓電材料產(chǎn)生形變，形變又會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，如果壓電元件上加上交流信號(hào)，當(dāng)交流電信號(hào)的頻率與元件（振子）的固有振動(dòng)頻率fT相等時(shí)，便產(chǎn)生諧振。振動(dòng)時(shí)晶格形變產(chǎn)生內(nèi)摩擦，而損耗一部分能量（轉(zhuǎn)換成熱能）。為了反映諧振時(shí)的這種損耗程度而引入Qm這個(gè)參數(shù)，Qm越高，能量的損耗就越小。Qm 的大小以與相應(yīng)的諧振方式有關(guān)，無(wú)特別說(shuō)明時(shí)表示平面（或徑向）振動(dòng)的機(jī)械品質(zhì)因素。 在濾波器、諧振換能器、壓電音叉等諧振子中，要求高的Qm值。 7-1 壓電陶瓷 頻率系數(shù)N ：

10、壓電振子的諧振頻率f0與振動(dòng)方向上線度的乘積。只與材料性質(zhì)相關(guān)，而與尺寸因素?zé)o關(guān)。 7-1 壓電陶瓷 鐵電單晶固然具有較高的壓電效應(yīng)，但單晶工藝復(fù)雜，不易加工成各種形狀，因而不易大量生產(chǎn)，成本也很高。 鐵電陶瓷則易加工生產(chǎn)，成本低，且能根據(jù)不同的用途對(duì)性能的要求采用摻雜改性。缺點(diǎn)：存在粒界，氣孔及其它缺陷，均勻性及機(jī)械強(qiáng)度不夠理想，電損耗較大，妨礙了壓電陶瓷在高頻率中的使用。 7-1 壓電陶瓷7-1-3 鉛基壓電陶瓷1. 單元系2. 二元系3. 三元系 7-1 壓電陶瓷單元系PbTiO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體，Tc高，490。各向異性大（c/a1.063），晶界能高，難以制備致密、機(jī)械強(qiáng)度高的陶瓷。

11、矯頑場(chǎng)強(qiáng)較大，預(yù)極化困難。提高極化溫度有利于極化，但抗電強(qiáng)度下降，易擊穿。摻入少量稀土、NiO、MnO2等，可促進(jìn)燒結(jié)。晶粒大小與機(jī)電耦合系數(shù)k有關(guān)。 7-1 壓電陶瓷BaTiO3系與PbTiO3系壓電陶瓷 自從19421943年之間美、日、蘇聯(lián)學(xué)者各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)BaTiO3 中存在異常的介電現(xiàn)象，1947年又發(fā)現(xiàn)預(yù)極化后的BaTiO3陶瓷的壓電性能，并制成壓電元件用于拾音器、換能器； 二戰(zhàn)期間， BaTiO3成功用于水聲及電聲換能器、通訊濾波器上，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，BaTiO3陶瓷是主要的壓電陶瓷材料，但目前其作用范圍在不斷縮小。 7-1 壓電陶瓷BaTiO3陶瓷 PbTiO3陶瓷 工作溫區(qū)

12、窄（Tc=120） 工作溫區(qū)寬（Tc=490） 易極化 難極化 熱穩(wěn)定性差 熱穩(wěn)定性好 =1900 =190 Kp =0.354 Kp =0.095 d33=191(10-12庫(kù)/牛) d33=56(10-12庫(kù)/牛) g33=11.4(10-3伏米/牛) g33=33(10-3伏米/牛) 工藝性好 工藝性差（粉化，PbO易揮發(fā)） 7-1 壓電陶瓷 比較可知，BaTiO3壓電性好，工藝性好，但致命弱點(diǎn)是工作溫區(qū)窄（0120），且在工作溫區(qū)內(nèi)各壓電性能隨溫度變化很大，圖5-1（P115）。因此相比之下，PbTiO3的工作溫度區(qū)寬，性能更穩(wěn)定。 另外，PbTiO3陶瓷的介電系數(shù)小，熱釋電系數(shù)大，接

13、近于60C/cm2K，居里點(diǎn)高，抗輻射性能好，還是一種相當(dāng)理想的熱釋電探測(cè)器材料。 7-1 壓電陶瓷PbNb2O6鎢青銅結(jié)構(gòu)Tc高（570）壓電系數(shù)的各向異性大，d33/d3110機(jī)械品質(zhì)因素特別低（Q11）主要用于超聲缺陷檢測(cè)、人體超身診斷及水聽器等 7-1 壓電陶瓷 人們?cè)?953年起開始試制成功PbZrO3-PbTiO3二元系固溶體壓電陶瓷，其各項(xiàng)壓電性能和溫度穩(wěn)定性等均大大優(yōu)于BaTiO3、PbTiO3壓電陶瓷，因此得到了廣泛的應(yīng)用。如水聲、電聲和通訊濾波器件中。 下面主要介紹二元系壓電陶瓷PZT系陶瓷。鉛基二元系壓電陶瓷 7-1 壓電陶瓷PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結(jié)構(gòu) Pb

14、ZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較： PbZrO3 PbTiO3結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Tc (立方順電) 230（正交晶系） 490類別 反鐵電體 鐵電體Tc c/a1(1.063)Tc 立方順電相PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無(wú)限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡(jiǎn)稱PZT瓷。 7-1 壓電陶瓷1. PbZrO3-PbTiO3系壓電陶瓷（1）PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結(jié)構(gòu) 7-1 壓電陶瓷a.PZT瓷的低溫相圖見P120圖5-8由圖可知：(1)隨Zr：Ti 變化，居里點(diǎn)幾乎線形地從235變到490 ，Tc線以上為

15、立方順電相，無(wú)壓電效應(yīng)。 7-1 壓電陶瓷(2)Tc線以下，Zr：Ti=53：47附近有一同質(zhì)異晶相界線（準(zhǔn)同型相界線），富鈦側(cè)為四方鐵電相Ft，富鋯一側(cè)為高溫三方（三角）鐵電相FR（高溫），溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，并與Tc線交于360（表明相界附近居里溫度Tc高），在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變（見P119圖5-7）。 7-1 壓電陶瓷(3) 實(shí)驗(yàn)表明，在四方鐵電相Ft與三方鐵電相FR（高溫）的相界附近具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。Kp, 出現(xiàn)極大值，Qm出現(xiàn)極小值。見P120圖5-9。 7-1 壓電陶瓷 原因?yàn)椋哼@種現(xiàn)象與晶相結(jié)構(gòu)中相并存或相重疊有關(guān)，類似BaTiO3 瓷中的重疊效應(yīng)。相界線

16、不是明確的成分分界線，而是具有一定寬度、成分比范圍的相重疊區(qū)域，在相界線附近，晶粒中可同時(shí)存在四方鐵電相和三方鐵電相。 在此區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)t和FR(高溫)自由能相近，相轉(zhuǎn)變激活能低，在弱電場(chǎng)誘導(dǎo)下就能發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，使不同取向的晶粒的自發(fā)極化軸盡可能統(tǒng)一到電場(chǎng)方向，因而，KP 。由于電疇定向充分，內(nèi)摩擦增大，故Qm 。因此，為了獲得KP , 的材料，組成宜選在Zr：Ti=53：47附近，為了獲得Qm 伴隨KP 的材料，則應(yīng)選在遠(yuǎn)離53：47處。 7-1 壓電陶瓷由圖可見，在相界附近的PZT瓷壓電性能比BaTiO3瓷高得多。(4)由于相界處PZT瓷的Tc=360高，第二轉(zhuǎn)變點(diǎn)低，因而在200以內(nèi)KP，

17、都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。PZT瓷的摻雜改性: 為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的PZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來(lái)取代A位的Pb2+離子或B位的Zr4+,Ti4+離子，從而改進(jìn)材料的性能。 7-1 壓電陶瓷 a. 等價(jià)A位取代等價(jià)取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二價(jià)離子取代Pb2+，結(jié)果使PZT瓷的，KP ，d，從而提高PZT瓷的壓電性能。 7-1 壓電陶瓷上述離子取代Pb2+后，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，仍為鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，但出現(xiàn)了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉(zhuǎn)向激活能減小，在人工預(yù)極化處理時(shí)，有利于90o疇轉(zhuǎn)向與保留，故，KP , d 。另外，Sr2+取代P

18、b2+后，Tc，也使常溫下的 。由于一個(gè)取代離子往往影響周圍103個(gè)晶胞，因而加入510 mol%的添加物就足以影響整個(gè)晶體了。過(guò)多的添加物往往會(huì)向晶界偏析，且會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)向立方順電相轉(zhuǎn)變。等價(jià)取代也包括用Sn4+、Hf4+離子，但效果不顯著，很少使用。 7-1 壓電陶瓷 b. 軟性取代改性（高價(jià)缺位取代）所謂“軟”是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)EC ，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“軟”。軟性取代采用La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb2+離子或Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子。經(jīng)取代改性后的PZT瓷性能有如下變化： 7-1 壓電陶瓷矯頑

19、場(chǎng)強(qiáng)EC ，電滯回線為矩形（瘦高），KP ，tg，Qm ，抗老化性，V 。原因：應(yīng)力緩沖效應(yīng)高價(jià)離子取代，產(chǎn)生Pb缺位，可部分緩沖（應(yīng)力，形變） 疇壁易運(yùn)動(dòng) EC Ps KP Qm , tg (由實(shí)驗(yàn)知不可能生成 ，或,故只能生成 ) 7-1 壓電陶瓷90o疇轉(zhuǎn)向后，使晶軸方向變化，形變方向也發(fā)生變化，因而形成應(yīng)力。隨時(shí)間的推移，90o疇趨于恢復(fù)原狀，發(fā)生老化（、KP、Qm）加入軟性添加劑后形成，可緩沖這種應(yīng)力，使剩余應(yīng)力下降，剩余極化強(qiáng)度Ps很快穩(wěn)定下來(lái)，因而抗老化性增強(qiáng)。 7-1 壓電陶瓷鉛陶瓷在燒結(jié)時(shí)，由于PbO的飽和蒸汽壓高，因而PbO易揮發(fā)。PZT瓷在燒結(jié)時(shí)，由于PbO揮發(fā)而形成 。

20、 起受主作用，生成 時(shí)伴隨2h生成，因而使PZT瓷為P型導(dǎo)電。當(dāng)材料中加入適當(dāng)高價(jià)雜質(zhì)后，作為施主，可提供電子。這些電子與空穴復(fù)合h+e=0，因而使電導(dǎo)率，電阻率v ，從而可在更強(qiáng)的電場(chǎng)下預(yù)極化，使Pr ， K P 。 一般軟性添加劑的量1wt %，過(guò)多將改變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。電荷補(bǔ)償效應(yīng) 7-1 壓電陶瓷 c. 硬性取代改性（低價(jià)取代） 硬性取代采用K+，Na+取代A位的Pb2+離子，F(xiàn)e2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Ga3+、In3+、Cr3+ 等離子取代B位的Ti4+，Zr4+離子。取代后Ec ，極化變難，性質(zhì)變“硬”。作用：Ec 、

21、KP 、tg 、Qm （抗老化性 ）、v 7-1 壓電陶瓷硬性添加劑加入后極化困難，只有在高溫下預(yù)極化，但T 時(shí)v ，這就使預(yù)極化場(chǎng)強(qiáng)不能太高，從而Ps 這是K P 的一個(gè)原因。 硬性添加劑加入后形成 ，由于 不可能很多，否則將破壞鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（氧八面體共頂點(diǎn)形成骨架），因而硬性添加劑固溶度有限，多余部分向晶界偏析，可抑制晶粒生長(zhǎng)，使晶粒細(xì)化，材料致密，從而Qm 。 7-1 壓電陶瓷 （d) 軟硬兼施 PZT中加入W(軟)、Mn(硬)可使KP 、 Qm 軟硬兼優(yōu)； 加Nb2O5(軟)、Al2O3(硬) 軟硬抵消 7-1 壓電陶瓷壓電陶瓷用途很多，不同場(chǎng)合對(duì)壓電陶瓷性能要求不同。 常用PZT瓷料

22、7-1 壓電陶瓷 由于一些性能往往是互相克制的，如Qm ，則KP ；則tg ；KP 則熱穩(wěn)定性，因此選用材料時(shí)應(yīng)全面考慮，適當(dāng)折中。 P124表5-4則列舉了幾種國(guó)內(nèi)比較常見的PZT瓷料的配方和性能。這組材料中KP=0.100.40，Qm=5003600 ，具有比較寬的覆蓋范圍，能滿足一般壓電器件的要求，但這些性能都不是最佳值。1965年以來(lái)，人們通過(guò)在PZT的基礎(chǔ)上再固溶另一種組分更復(fù)雜的復(fù)合鈣鈦化合物而形成的三元系壓電瓷以達(dá)到更好的性能。 7-1 壓電陶瓷 a、所謂三元系壓電陶瓷，是在PZT的基礎(chǔ)上再添加三元-復(fù)合鈣鈦礦型物質(zhì)(A,A)(B,B)O3 而組成的。在實(shí)際大多數(shù)多元系壓電陶瓷中

23、，A位元素仍是鉛，所改變的只是處于八面體中的B位的元素。因此：在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三維八面體網(wǎng)中，在相互固溶的情況下，八面體的中心將有四種或更多電價(jià)不一定為4的元素（包括Zr和Ti）統(tǒng)計(jì)地均勻分布，改變其元素種類與配料，就可調(diào)整、優(yōu)選出一系列具有特殊性能的壓電陶瓷。P124表5-5及P125表5-6分別為常見三元系壓電陶瓷瓷料組成及“復(fù)合金屬離子組合”。三元系鉛基壓電陶瓷 7-1 壓電陶瓷 b. 特性： 7-1 壓電陶瓷 由于第三相的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更為寬廣，在PTZ中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種性能均可以較大程度地滿足。 以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3

24、系為例，三者能完全固溶，且具有三種晶型。富Zr區(qū)為三方鐵電體FR，富Ti區(qū)為四方鐵電體FT，富Nb、Mg區(qū)為假立方鐵電體FPC。隨著Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的增加，在室溫下將出現(xiàn)兩條準(zhǔn)同形相界。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)成分在準(zhǔn)同形相界附近時(shí)都具有特別突出的壓電性能。因此在PTZ系列中只有當(dāng)Zr：Ti=53：47時(shí)的“一個(gè)點(diǎn)”附近可供選擇。而在PCM系列中當(dāng)Zr：Ti=4454整根準(zhǔn)同形相界附近，都具有這種由于相重疊而引起的突出壓電性能，KP、特性出現(xiàn)不連續(xù)的成分比。（P125 圖5-15） 7-1 壓電陶瓷7-1-4 無(wú)鉛壓電陶瓷 1. BaTiO3基 2. Bi0.5Na0.5TiO3基

25、3. 鈮酸鹽系 4. 鉍層狀結(jié)構(gòu) 7-1 壓電陶瓷 壓電陶瓷具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)、轉(zhuǎn)換效率高、形狀和尺寸不受限制，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。聲表面波器件對(duì)壓電陶瓷的要求： 高致密度、小的氣孔直徑、小晶粒尺寸、高Qm 較大的聲表面波有效機(jī)電耦合系數(shù) 小，以提高聲表面波器件的聲阻抗 表面波聲速的溫度系數(shù)和頻率老化率小 均勻性好、重復(fù)性好、成本低廉 7-1 壓電陶瓷7-2 透明電光陶瓷1. 什么叫透明陶瓷？2. 鐵電陶瓷的電光特性3. 常用電光陶瓷材料4. 電光陶瓷工藝與要求 7-2 透明電光陶瓷1. 什么叫透明陶瓷？具有多晶結(jié)構(gòu)，但不是多相的陶瓷，并且具有特殊的晶界，有相當(dāng)高的透明度，故稱為透明陶瓷。（基本無(wú)氣相，瓷體密度接近或達(dá)到理論值，且經(jīng)過(guò)表面研磨，拋光）具有一定的光學(xué)性能（粒界為一層極其緊湊的，相當(dāng)薄的過(guò)渡層），介于單晶與多晶之間的材料。若透明的鐵電陶瓷通過(guò)電場(chǎng)作用就可改變其光學(xué)性能，稱為透明電光陶瓷。 7-2 透明電光陶瓷2. 鐵電陶瓷的電光特性光線在介質(zhì)中的傳播速度是與介質(zhì)的的平方根成反比。而鐵電體中的大小可以通過(guò)外電場(chǎng)強(qiáng)度的控制來(lái)達(dá)到改變改變介質(zhì)的折射率。設(shè)外加偏置電場(chǎng)為E0，折射率為n 7-2 透明電光陶瓷由外電場(chǎng)引起晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。從本質(zhì)上講，透明陶瓷的電疇狀態(tài)決定光學(xué)性質(zhì)，而電疇狀態(tài)又受控于電場(chǎng)，所以其光學(xué)性質(zhì)是“