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压电材料的分类

阅读:1090发布时间:2018-6-14

 压电材料的分类
 
1.类压电材料--压电单晶
 
这是天然形成或人工制成的、具有各向异性的单晶铁电体材料,它具有的压电效应是基于组成晶体结构的点阵上正负离子相对位置变化而引起的。常用的压电单晶有:
 
石英(SiO2):这是天然形成或人工培育(人造水晶)的晶体,均匀性好,居里点高;阻抗高,机械Q值(Qm)大;硬度高、耐磨性好;不会潮解;性能极稳定,老化极慢极小,而且其性能随温度的变化极小,可获得不随时间而变的线性频率温度系数;损耗小,可用于*的频率;绝缘性能好,能在高电压下使用;能用于较高和极低的温度环境等。由于石英具备了许多优越的性能,故至今仍被广泛应用,特别是用作标准换能器以及例如电脑设备中的时间振荡器等。它的缺点是机电变换效率低,使系统回路的增益较低。
 
铌酸锂(LiNbO3):这是人工培育的铁电单晶,直径可达120mm。铌酸锂可被用于直接激发超声横波且机电耦合系数很高,具有优越的压电性能,它的Qm值相当大,居里点很高,能在高温下使用,极化稳定,超声传播损失小,不潮解,频率常数很大,可用于制作超高频的换能器等等。因此,它已被用作声表面波换能器的常用基本材料,当用作体积波换能器时能获得比常用压电陶瓷换能器还要好的灵敏度,也用作超声测厚以及窄脉冲换能器。
 
α碘酸锂(α-LiIO3):这也是人工单晶,它的机械性能较好,容易加工,能溶于水但不易潮解,物理化学性能比较稳定,压电性能优良,特别是具有高的机电耦合系数和低的介电常数,并且Qm值相当低,很适合制作高灵敏度、高分辨率的宽带换能器及延迟线,例如制作超声测厚以及窄脉冲换能器。
 
此外还有接收性能良好的硫酸锂(Li2SO4)等。
 
2.第二类压电材料--压电陶瓷
 
这是通过粉末烧结方法人工焙烧制成的多晶铁电体材料,它具有的压电效应是基于电致伸缩效应,其压电性能随烧结工艺和配方成分的不同而存在差异,因此其种类繁多且性能也互有出入。
 
例如:将材料研磨到400目,加粘合剂,加压,高温焙烧成块,再锯切研磨抛光成压电陶瓷晶片成品。
 
压电陶瓷易于制成各种形状,可以多种振动模式振动以适应于各种用途,具有较高的机电耦合系数,较高的回路增益和灵敏度,这是它的重要优越性。
 
常用的压电陶瓷有:
 
钛酸钡(BaTiO3):这是用*(TiO2)与碳酸钡(BaCO3)在高温下混合烧结而成的,这是较早期使用的压电陶瓷,它的居里温度低,温度依赖性大,并且时间稳定性和热稳定性较差,现在仍有用于声纳辐射器和*的。
 
锆钛酸铅[Pb(ZrxTi1-x)O3]:(x<1),代号PZT,有多种配方并各有特点,是目前常用的压电陶瓷。
 
PZT系列的主要特点是机电耦合系数高,而其中的PZT-4为发射型,它的高激励特性好(Qm值较高,内部损耗小等),适用于声纳辐射器、*、高压发生器以及大功率换能器等。PZT-5为接收型,它的介电常数高,老化小,Qm值低,适用于水听器、*、电唱机拾音器、微音器以及扬声器元件,还适用于宽带脉冲型检测等。此外还有:PZT-2,PZT-,PZT-5H,PZT-6A,PZT-7A,PZT-8...等等。
 
除了上述这些以外,压电陶瓷的品种还有钛酸铅(PbTiO3)、铌酸铅(PbNbO3)、偏铌酸铅(PbNb2O6)(Qm值较低,适用于制作窄脉冲的超声纵波换能器)、偏铌酸铅钡[(Pb0.6Ba0.4)Nb2O6]、铌酸钾钠[(Na0.5K0.5)NbO3]等等。
 
新发展的三元系压电陶瓷,是由三元组成的,元是新添元素,成分百分比以x表示,第二元为钛酸铅(PbTiO3),其百分比用y表示,第三元为锆酸铅(PbZrO3),其百分比用Z表示,此外还添入了少量杂质和替代物。例如:铌镁酸铅系[xPb(Mg1/3Nb2/3)O3]:具有径向振动机电耦合系数(Kp)高,介电常数高,Qm值较大,稳定性较好的特点,某些配方还可达到机械强度,特别是抗弯强度很高,可用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线以及引燃引爆器等。
 
铌锌酸铅系[xPb(Zn1/3Nb2/3)O3]:具有高的径向振动机电耦合系数和较低的Qm值(添加一些MnO2或NiO2则可提高Qm达到200),有较高的温度稳定性,适用于滤波器材料。
 
铌钴酸铅系[xPb(Co1/3Nb2/3)O3]:其径向振动机电耦合系数Kp和Qm值均较高,可用作超声振子和变压器、滤波器、拾音器等。
 
铌锰酸铅系[xPb(Mn1/3Nb2/3)O3]:Qm值高、时间稳定性好、介电常数较低、径向振动机电耦合系数Kp中等,适合作滤波器和延迟线振子。
 
铌锑酸铅系[xPb(Sb1/2Nb1/2)O3]:Kp值高、稳定性较好、Qm值大,频率温度系数很小。
 
锑锰酸铅系[xPb(Mn1/2Sb1/2)O3]:Kp调节范围大、Qm值很高,介质损耗小,稳定性良好。
 
钨锰酸铅系[xPb(Mn1/2W1/2)O3]:击穿电压*,Qm值很大,Kp值大,而且谐振频率温度稳定性好。
 
铌镍酸铅系[xPb(Ni1/3Nb2/3)O3]:介电常数很大,Kp中等,声频特性好。
 
钨镉酸铅系[xPb(Cd1/2W1/2)O3]:频率的温度与时间稳定性好。
 
镁碲酸铅系[xPb(Mg1/2Te1/2)O3]:可耐反复加压,电、机性能老化小。
 
此外还有锂锑酸铅系[xPb(Li1/4Sb3/4)O3]和锂钽酸铅系[xPb(Li1/4Ta3/4)O3],具有稳定性好,Qm值低,适用于水声换能器。
 
除了三元系压电陶瓷外,现又发展了性能优良的铌镍-铌锌-钛-锆酸铅四元系压电陶瓷。
 
3.第三类压电材料--极性高分子压电材料
 
这是具有压电效应的新型人工合成的半结晶性聚合物,称为极性高分子聚合物,其压电效应是基于有极分子的转动,目前以聚偏氟乙烯(PVDF)性能好。
 
PVDF(-CH2-CF2-)是有极性的高分子聚合物之一。在低于100℃温度下将PVDF薄膜拉伸到原来的几倍长,即得到β型(PVDF的一种结晶形式)薄膜,施以电极(通常为铝),在高直流电场中极化(温度在80-150℃),将获得压电性能,它可以有效地用作声接收器,有良好的热稳定性,此外,材料可弯曲,声阻抗小,与水匹配较好,特别适用于水听器以及医学超声诊断声场测试用的换能器。压电薄膜材料的缺点是信噪比尚不理想,机电耦合系数还不够大,而且机械和介电损耗比较大。此外,由于品质因素(Qm、Qe)较小,故不适用于需要尖锐共振之处,也不适用于大输入和连续工作,因为它在80℃以上温度下长时间使用时,其压电效果减小。
 
另外极性高分子压电材料还有聚氟乙二烯(PVF2)等。
 
4.第四类压电材料--复合压电材料及氧化锌压电薄膜
 
复合压电材料是将强介电性陶瓷微粒分散混合于高分子材料中而构成的,其处理和使用与高分子压电材料一样,其压电性能不仅依赖于陶瓷粒子,也和作为基体的高分子材料的种类有很大关系,特别是和PVDF及氟化亚乙烯基等介电率高的高分子的复合系,可用作强压电性材料。这种压电材料无需像其他高分子压电体那样作延伸处理,内部各向同性,随基体高分子种类的变化,可获得较大的弹性率变化范围,特别是可以热压成型,实用上很方便。如PVDF和PZT系的复合材料,其压电性能和介电性能很稳定,这类材料已达实用阶段,在应用方面与压电高分子聚合物材料很相似。
 
氧化锌(ZnO)压电薄膜(利用真空喷涂工艺制成)用于超高频超声波发生与接收换能器,可用于30-3000兆赫兹频段且效果很好,它能用于物质特性的研究、超声延迟线、声光器件、通讯和信息处理以及超声显微镜等,具有频带宽,电声转换效率好,与激励电路容易匹配等。
 
除此以外,还有硫化镉(CdS)、氮化铝(AlN)等也是较好的压电薄膜材料。

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