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压电陶瓷_图文_百度文库

作者:凯博国际    更新时间:2020-08-13 15:25

  压电陶瓷。第七章(2) 压电陶瓷 §7-1 压电陶瓷 §7-2 透明电光陶瓷 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-1 压电材料概述 §7-1-2 压电陶瓷的主要参数 §7-1-3 铅基压电陶瓷 §7-1-4 无

  第七章(2) 压电陶瓷 §7-1 压电陶瓷 §7-2 透明电光陶瓷 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-1 压电材料概述 §7-1-2 压电陶瓷的主要参数 §7-1-3 铅基压电陶瓷 §7-1-4 无铅压电陶瓷 § 7-1 压电陶瓷 重点掌握的几个概念: ? 压电效应 ? 预极化 ? 准同型相界 ? 软性取代 ? 硬性取代 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-1 压电材料概述 ? 正压电效应:在没有对称中心的晶体上施加机械作用 时,发生与机械应力成比例的介质极化,同时在晶体 的两端面出现正负电荷。 ? 逆压电效应:当在晶体上施加电场时,则产生与电场 强度成比例的变形或机械应力。 ? 正、逆压电效应统称为压电效应。 ? 晶体的这种性质称为晶体的压电性。 § 7-1 压电陶瓷 具有压电效应的材料称为压电材料。 压电材料能实现机—电能量的相互转换。 机械量 压 电 元件 压电效应的可逆性 电量 § 7-1 压电陶瓷 在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。 § 7-1 压电陶瓷 石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图(a)表示了 天然结构的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英晶 体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴,经 过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴,与x和z轴同时 垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机 械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压 电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 § 7-1 压电陶瓷 z o x y x z z b o o y x cy a (a) (b) (c) (a) 晶体外形; (b) 切割方向; (c) 晶片 § 7-1 压电陶瓷 (a) 不受力时; (b) x轴方向受力; (c) y轴方向受力 _ Fy Fy _ + + Fx→ ↓ ↓ ←Fx + _ _ ± + + _ Fx→ (b)无外力时[1000]晶面 _ + _ + _ ←Fx (c)x轴受压时[1000]晶面 + _ + ↑ ↑ Fy (d) y轴受Fy压时[1000]晶面 图 石英晶体的压电效应示意图 § 7-1 压电陶瓷 当外力F=0时,压电陶瓷表面存在一层表面电荷,其 大小与压电陶瓷的束缚电荷相等,符号与束缚电荷相反, 因而晶体对外不显示电性。 在外力F的作用下,压电陶瓷产生形变,晶体的极化强 度发生变化,因而表面束缚电荷变化,晶体对外显示电 性——压电效应。 在压电陶瓷上加上电场,设电场方向与极化方向相同, 则晶体的极化加强,晶体沿极化方向伸长,产生了形变— —逆压电效应。若加上反向场强,则晶体沿极化方向缩短; 若加上交变电场,则晶体产生振动。 § 7-1 压电陶瓷 ? 晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。 ? 所有铁电单晶都具有压电效应。 ? 对于铁电陶瓷来说,虽然各晶粒都有较强的压电效应, 但由于晶粒和电畴分布无一定规则,各方向几率相同, 使ΣP =0,因而不显示压电效应,故必须经过人工预极 化处理,使ΣP ≠0,才能对外显示压电效应。 ? 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性,所有压电陶 瓷也应是铁电陶瓷。 § 7-1 压电陶瓷 E 电致伸长 (a) 极化前 (b) 预极化后 剩余伸长 (c) 预极化后撤出外场 陶瓷的预极化示意图 § 7-1 压电陶瓷 ? 压电材料分类: ? 压电单晶 ? 压电陶瓷 ? 压电聚合物 ? 压电复合材料 § 7-1 压电陶瓷 ? 应用举例: ? 水声技术:水声换能器 ? 超声技术:超声清洗、超声乳化、超声分散 ? 高电压发生装置:压电点火器、引燃引爆、压电变压器 ? 电声设备:麦克风、扬声器、压电耳机 ? 传感器:压电地震仪 ? 压电驱动器 。。。。。。。。 § 7-1 压电陶瓷 ? 压电陶瓷的晶体结构: ? 1. 钙钛矿结构 ? 2. 钨青铜型结构 ? 3. 铌酸锂型结构 ? 4. 铋层状结构 § 7-1 压电陶瓷 1. 钙钛矿结构 ABO3: A:+1,+2,+3 Na+,K+,Ba2+,La3+ B:+5,+4,+3 Nb5+,Ti4+,Fe3+ § 7-1 压电陶瓷 2. 钨青铜型结构 ? [BO6]氧八面体以顶角相连构 成骨架。 ? B离子为Nb、Ta、W等。 ? [BO6]骨架间存在三种空隙: A1(较大)、A2(最大)、C (最小) ? 氧八面体中心因所处位置的 对称性不同可能为B1和B2 ? 填满型与非填满型。 钨青铜结构在(001)面上的投影 § 7-1 压电陶瓷 3. 铌酸锂型结构 顺电相 铁电相 ? 氧八面体以共面形式重叠 ? Li位于氧八面体的公共面 ? Nb位于氧八面体中心 ? 极化时,Li,Nb偏离中心位 置,沿c轴出现电偶极矩 § 7-1 压电陶瓷 4. 铋层状结构 Bi4Ti3O12 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-2 压电陶瓷的主要参数 作为介电材料,可用介电系数ε,介电损耗tgδ,绝缘电 阻率ρ和抗电强度Eb等表征。 作为压电材料,还必须补充一些参数: ? 压电系数d、g ? 机电耦合系数k ? 机械品质因素Q ? 频率系数N § 7-1 压电陶瓷 ? 压电系数d :单位机械应力T所产生的极化强度P d ? P / T (C/N) 或:单位电场强度V/x所产生的应变△x/x d ? (?x / x) /(V / x) ? ?x /V (m/V) 常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33(脚标第 一位数字表示压电陶瓷的极化方向;第二位数字表示机械 振动方向)。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。 反映应力(应变)和电场(电位移)间的关系 § 7-1 压电陶瓷 ? 压电电压系数g:单位应力T所产生的电场强度E;或单 位电荷所产生的形变。 g ? ?E / T (V·m/N) d和g实质上是相同的,只是在不同的角度反映了材料的压 电性能,d用得较为普遍,g常用于接收型换能器、拾音器, 高压发生器等场合。 § 7-1 压电陶瓷 ? 机电耦合系数k k2 ? 电 能 转变所得的机 输入的电能 械 能或 k2 ? 机械能转变所得电能 输入的机械能 Kp是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。它 与材料的压电系数、ε和弹性常数等有关,是一个比较综合 的参数。 机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换效率, 由于转换不可能完全,总有一部分能量以热能、声波等形 式损失或向周围介质传播,因而K总是小于1的。 § 7-1 压电陶瓷 ? 不同材料的k值不同;同种材料由于振动方式不同,k 值也不同。 ? 常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数k33 、 以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数kp(或 称径向机电耦合系数kr)。 § 7-1 压电陶瓷 Z 极Z 化 方 向 X Y 振动方向 条状振子 K31(横向耦机电合系数) 极 化 振 动 方 向 方 向 极 Z 化 方 向 柱状振子 K33(纵向机电耦合系数) 圆片振子 Kp(平面机电耦合系数) Kr(径向机电耦合系数) § 7-1 压电陶瓷 ? 机械品质因素Qm 谐 振 时 振 子 储 存 的 机 械能 Qm ? 2? 每 一谐 振周 期 振子 所 消耗 的机 械能 § 7-1 压电陶瓷 逆压电效应使压电材料产生形变,形变又会产生电信 号,如果压电元件上加上交流信号,当交流电信号的频率 与元件(振子)的固有振动频率fT相等时,便产生谐振。 振动时晶格形变产生内摩擦,而损耗一部分能量(转换成 热能)。为了反映谐振时的这种损耗程度而引入Qm这个 参数,Qm越高,能量的损耗就越小。Qm 的大小以与相应 的谐振方式有关,无特别说明时表示平面(或径向)振动 的机械品质因素。 在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中,要求 高的Qm值。 § 7-1 压电陶瓷 ? 频率系数N :压电振子的谐振频率f0与振动方向上线度的 乘积。 N ? f0L 只与材料性质相关,而与尺寸因素无关。 § 7-1 压电陶瓷 铁电单晶固然具有较高的压电效应,但单晶工艺复 杂,不易加工成各种形状,因而不易大量生产,成本也 很高。 铁电陶瓷则易加工生产,成本低,且能根据不同的 用途对性能的要求采用掺杂改性。缺点:存在粒界,气 孔及其它缺陷,均匀性及机械强度不够理想,电损耗较 大,妨碍了压电陶瓷在高频率中的使用。 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-3 铅基压电陶瓷 ? 1. 单元系 ? 2. 二元系 ? 3. 三元系 § 7-1 压电陶瓷 单元系 1. PbTiO3 ? 钙钛矿结构铁电体,Tc高,490℃。 ? 各向异性大(c/a=1.063),晶界能高,难以制备致密、 机械强度高的陶瓷。 ? 矫顽场强较大,预极化困难。提高极化温度有利于极 化,但抗电强度下降,易击穿。 ? 掺入少量稀土、NiO、MnO2等,可促进烧结。 ? 晶粒大小与机电耦合系数k有关。 § 7-1 压电陶瓷 BaTiO3系与PbTiO3系压电陶瓷 自从1942~1943年之间美、日、苏联学者各自独立发 现BaTiO3 中存在异常的介电现象,1947年又发现预极化 后的BaTiO3陶瓷的压电性能,并制成压电元件用于拾音 器、换能器; 二战期间, BaTiO3成功用于水声及电声换能器、通 讯滤波器上,在很长的一段时间内,BaTiO3陶瓷是主要 的压电陶瓷材料,但目前其作用范围在不断缩小。 § 7-1 压电陶瓷 BaTiO3陶瓷 工作温区窄(Tc=120℃) 易极化 热稳定性差 ε=1900 Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏·米/牛) 工艺性好 PbTiO3陶瓷 工作温区宽(Tc=490℃) 难极化 热稳定性好 ε=190 Kp =0.095 d33=56(10-12库/牛) g33=33(10-3伏·米/牛) 工艺性差(粉化,PbO易挥发) § 7-1 压电陶瓷 比较可知,BaTiO3压电性好,工艺性好,但致命弱 点是工作温区窄(0~120℃),且在工作温区内各压电 性能随温度变化很大,图5-1(P115)。因此相比之下, PbTiO3的工作温度区宽,性能更稳定。 另外,PbTiO3陶瓷的介电系数小,热释电系数大, 接近于60μC/cm2·K,居里点高,抗辐射性能好,还是 一种相当理想的热释电探测器材料。 § 7-1 压电陶瓷 2. PbNb2O6 ? 钨青铜结构 ? Tc高(570℃) ? 压电系数的各向异性大,d33/d31≈10 ? 机械品质因素特别低(Q≈11) 主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等 § 7-1 压电陶瓷 铅基二元系压电陶瓷 人 们 在 1953 年 起 开 始 试 制 成 功 PbZrO3-PbTiO3 二 元 系固溶体压电陶瓷,其各项压电性能和温度稳定性等均 大大优于BaTiO3、PbTiO3压电陶瓷,因此得到了广泛的 应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。 下面主要介绍二元系压电陶瓷PZT系陶瓷。 § 7-1 压电陶瓷 PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相结构 PbZrO3和PbTiO3的结构特点比较: PbZrO3 PbTiO3 结构 钙钛矿结构 钙钛矿结构 Tc (立方顺电) 230℃(正交晶系) 类别 反铁电体 490℃ 铁电体 Tc c/a1(0.981, 正交) c/a1(1.063) Tc 立方顺电相 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。 § 7-1 压电陶瓷 1. PbZrO3-PbTiO3系压电陶瓷 (1)PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相结构 § 7-1 压电陶瓷 a. PZT瓷的低温相图 见P120图5-8 由图可知: (1)随Zr:Ti 变化,居里点几乎线℃ , Tc线以上为立方顺电相,无压电效应。 § 7-1 压电陶瓷 (2) Tc线附近有一同质异晶相界线 (准同型相界线),富钛侧为四方铁电相Ft,富锆一侧为 高温三方(三角)铁电相FR(高温),温度升高,这一相界 线向富锆侧倾斜,并与Tc线℃(表明相界附近居 里温度Tc高),在相界附近,晶胞参数发生突变(见P119 图5-7)。 § 7-1 压电陶瓷 (3) 实验表明,在四方铁电相Ft与三方铁电相FR(高温)的相 界附近具有很强的压电效应。Kp, ε出现极大值,Qm出现极 小值。见P120图5-9。 § 7-1 压电陶瓷 原因为:这种现象与晶相结构中相并存或相重叠有关, 类似BaTiO3 瓷中的重叠效应。相界线不是明确的成分分界线, 而是具有一定宽度、成分比范围的相重叠区域,在相界线附 近,晶粒中可同时存在四方铁电相和三方铁电相。 在此区域内,Ft和FR(高温)自由能相近,相转变激活能低, 在弱电场诱导下就能发生结构相变,使不同取向的晶粒的自 发极化轴尽可能统一到电场方向,因而ε↑,KP ↑ 。由于电畴 定向充分,内摩擦增大,故Qm ↓ 。因此,为了获得KP ↑,ε ↑的 材料,组成宜选在Zr:Ti=53:47附近,为了获得Qm ↑伴随 KP ↓的材料,则应选在远离53:47处。 由图可见,在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多。 (4) 由 于 相 界 处 PZT 瓷 的 Tc=360℃ 高 , 第 二 转 变 点 低 , 因 而 在 200℃以内KP,ε都很稳定,是理想的压电材料。 § 7-1 压电陶瓷 PZT瓷的掺杂改性: 为了满足不同的使用目的,我们需要具有各种性能的PZT压 电陶瓷,为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子 或B位的Zr4+,Ti4+离子,从而改进材料的性能。 ?等 价 取 代 PZT的 改 性 分 ? 为???:异 价 取 ?软 性 代??硬 性 取 取 代 代 改 改 性 性 ?? ??其 它 取 代 改 性 § 7-1 压电陶瓷 a. 等价A位取代 等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二价离子取 代Pb2+,结果使PZT瓷的ε↑,KP ↑,d↑,从而提高PZT 瓷的压电性能。 § 7-1 压电陶瓷 上述离子取代Pb2+后,晶体结构并未发生变化,仍为 钙钛矿型结构,但出现了晶格畸变,晶格自由能增加,电 畴转向激活能减小,在人工预极化处理时,有利于90o畴转 向与保留,故ε↑,KP ↑, d↑ 。另外,Sr2+取代Pb2+后,Tc↓, 也使常温下的ε↑ 。由于一个取代离子往往影响周围103个 晶胞,因而加入5~10 mol%的添加物就足以影响整个晶体 了。过多的添加物往往会向晶界偏析,且会使晶体结构向 立方顺电相转变。等价取代也包括用Sn4+、Hf4+离子,但 效果不显著,很少使用。 § 7-1 压电陶瓷 b. 软性取代改性(高价缺位取代) 所谓“软”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC ↓ , 因而在电场或应力作用下,材料性质变“软”。 软性取代采用La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb2+离子 或Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子。 经取代改性后的PZT瓷性能有如下变化: § 7-1 压电陶瓷 矫顽场强EC ↓ ,电滞回线为矩形(瘦高) ε↑,KP ↑,tgδ↑,Qm ↓,抗老化性↑,ρV ↑ 。 原因:应力缓冲效应 高价离子取代,产生Pb缺位,可部分缓冲(应力,形 变) 畴壁易运动 EC ↓ Ps ↑ KP Qm ↓ ε↑, tgδ ↑ La2O3 ?P??ZT ? 2 La ? Pb ? VPb ? 3OOx Nb2O5 ?P??ZT ? 2NbT?i ? VPb ? 5Oox (由实验知不可能生成 VB ,或 Oi ,故只能生成 VPb ) § 7-1 压电陶瓷 90o 畴 转 向 后 , 使 晶 轴 方 向 变 化,形变方向也发生变化,因 而形成应力。随时间的推移, 90o 畴 趋 于 恢 复 原 状 , 发 生 老 化(ε↑、KP↑、Qm↓) 加入软 性添加剂后形成 ,V可Pb缓冲这 种应力,使剩余应力下降,剩 余极化强度Ps很快稳定下来, 因而抗老化性增强。 § 7-1 压电陶瓷 电荷补偿效应 铅陶瓷在烧结时,由于PbO的饱和蒸汽压高,因而PbO易挥发。PZT瓷 在烧结时,由于PbO挥发而形成VPb。 1 2 O2 (g) ????VPb ? 2h. ? Oox VPb 起受主作用,生成 VPb 时伴随2h?生成,因而使PZT瓷为P型导电。当 材料中加入适当高价杂质后,作为施主,可提供电子。 La2O3 ?P??ZT ? 2La ? Pb ? 2e ? 3Oox Nb2O5 ?P??ZT ? 2NbT?i ? 2e ? 5Oox 这些电子与空穴复合h+e=0,因而使电导率σ↓,电阻率ρv ↑,从而可在 更强的电场下预极化,使Pr ↑, K P ↑ 。 一般软性添加剂的量≤1wt %,过多将改变钙钛矿结构。 § 7-1 压电陶瓷 c. 硬性取代改性(低价取代) 硬性取代采用K+,Na+取代A位的Pb2+离子,Fe2+、Co2+、 Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Ga3+、In3+、 Cr3+ 等离子取代B位的Ti4+,Zr4+离子。 取代后Ec ↑,极化变难,性质变“硬”。 作用:Ec ↑ 、ε↓、KP ↓ 、tgσ ↓ 、Qm ↑ (抗老化性↓ )、ρv ↓ § 7-1 压电陶瓷 硬性添加剂加入后极化困难,只有在高温下预极化, 但T ↑时ρv ↓ ,这就使预极化场强不能太高,从而Ps ↓这是 K P ↓ 的一个原因。 硬性添加剂加入后形成 VO?? ,由于VO?? 不可能很多,否 则将破坏钙钛矿结构(氧八面体共顶点形成骨架),因而 硬性添加剂固溶度有限,多余部分向晶界偏析,可抑制晶 粒生长,使晶粒细化,材料致密,从而Qm ↑ 。 § 7-1 压电陶瓷 (d) 软硬兼施 PZT中加入W(软)、Mn(硬)可使KP ↑ 、 Qm ↑ 兼优; 加Nb2O5(软)、Al2O3(硬) 软硬抵消 软硬 § 7-1 压电陶瓷 ⑶ 常用PZT瓷料 压电陶瓷用途很多,不同场合对压电陶瓷性能要求不同。 ?接 ? 收 型 水 声 换 能 器 :g33或g31大 ,K P ?, 高效率、高灵敏度 软性材料 换 能 器 ??发 射 型 水 声 ? ??电 声 材 料 : 换能 器???:Ec ?? ?,tg? ?,Qm ?, KP ? K ?,? ? 稳 定 性? 大功率 硬性材料 高效率 软性材料 高效率 软性材料 ? ?引 ?? 燃 、 拾 音 、 高 压 发 生器 :???K ?, ??? ? g ? 高效率、高灵敏度 软性材料 低电容 硬性材料 振 ?陶瓷滤波器、变频器: 子 ??陶瓷振荡器: Qm ?,热稳定性好 抗老化性好 低衰减 硬性材料 频率稳定 软性材料 § 7-1 压电陶瓷 由于一些性能往往是互相克制的,如Qm ↑ ,则KP ↓ ; ε↑则tgδ ↑ ;KP ↑则热稳定性↓,因此选用材料时应全面考虑, 适当折中。 P124表5-4则列举了几种国内比较常见的PZT瓷料的配 方和性能。这组材料中KP=0.10~0.40,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。1965年以来,人们通过在PZT的基 础上再固溶另一种组分更复杂的复合钙钛化合物而形成的 三元系压电瓷以达到更好的性能。 § 7-1 压电陶瓷 三元系铅基压电陶瓷 a、所谓三元系压电陶瓷,是在PZT的基础上再添加三元复合钙钛矿型物质(A,A’)(B,B’)O3 而组成的。在实际大多 数多元系压电陶瓷中,A位元素仍是铅,所改变的只是处 于八面体中的B位的元素。因此:在钙钛矿结构的三维八 面体网中,在相互固溶的情况下,八面体的中心将有四种 或更多电价不一定为4的元素(包括Zr和Ti)统计地均匀 分布,改变其元素种类与配料,就可调整、优选出一系列 具有特殊性能的压电陶瓷。P124表5-5及P125表5-6分别为 常见三元系压电陶瓷瓷料组成及“复合金属离子组合”。 § 7-1 压电陶瓷 b. 特性: 烧结温度低? 减少铅挥发,较好控制含铅量 ? 促 抑 进 制 烧 局 结 部 进 晶 行 粒 过 分 长 ? 大?? ? ? 均 匀 致 密 , 气 孔 率 小?? ? ?最 低 共 熔 点? ?多种氧化物的存在? ??形成固溶体时自由能? ??异 相 物 质 可 抑 制 局 部 晶粒 过 分 长 大 § 7-1 压电陶瓷 由于第三相的出现,使可供选择的组成范围更为宽广, 在PTZ中难以获得的高参数或难以兼顾的几种性能均可以 较大程度地满足。 以 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 系 为 例 , 三 者 能 完全固溶,且具有三种晶型。富Zr区为三方铁电体FR, 富 Ti 区 为 四 方 铁 电 体 FT , 富 Nb 、 Mg 区 为 假 立 方 铁 电 体 FPC。随着Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的增加,在室温下将出 现两条准同形相界。实验发现,当成分在准同形相界附近 时都具有特别突出的压电性能。因此在PTZ系列中只有当 Zr:Ti=53:47时的“一个点”附近可供选择。而在PCM 系列中当Zr:Ti=44~54整根准同形相界附近,都具有这 种由于相重叠而引起的突出压电性能,KP、ε特性出现不 连续的成分比。(P125 图5-15) § 7-1 压电陶瓷 §7-1-4 无铅压电陶瓷 1. BaTiO3基 2. Bi0.5Na0.5TiO3基 3. 铌酸盐系 4. 铋层状结构 § 7-1 压电陶瓷 压电陶瓷具有较大的机电耦合系数、转换效率高、形 状和尺寸不受限制,工艺简单,成本低廉。 声表面波器件对压电陶瓷的要求: ? 高致密度、小的气孔直径、小晶粒尺寸、高Qm ? 较大的声表面波有效机电耦合系数 ? ε小,以提高声表面波器件的声阻抗 ? 表面波声速的温度系数和频率老化率小 ? 均匀性好、重复性好、成本低廉 § 7-2 透明电光陶瓷 §7-2 透明电光陶瓷 ? 1. 什么叫透明陶瓷? ? 2. 铁电陶瓷的电光特性 ? 3. 常用电光陶瓷材料 ? 4. 电光陶瓷工艺与要求 § 7-2 透明电光陶瓷 1. 什么叫透明陶瓷? ? 具有多晶结构,但不是多相的陶瓷,并且具有特殊 的晶界,有相当高的透明度,故称为透明陶瓷。 (基本无气相,瓷体密度接近或达到理论值,且经 过表面研磨,抛光)具有一定的光学性能(粒界为 一层极其紧凑的,相当薄的过渡层),介于单晶与 多晶之间的材料。 ? 若透明的铁电陶瓷通过电场作用就可改变其光学性 能,称为透明电光陶瓷。 § 7-2 透明电光陶瓷 2. 铁电陶瓷的电光特性 ? 光线在介质中的传播速度是与介质的ε的平方根成反比。 而铁电体中ε的大小可以通过外电场强度的控制来达到 改变-→改变介质的折射率。 ? 设外加偏置电场为E0,折射率为n n ? n00 ? aE0 ? bE02 ? ? ? ? § 7-2 透明电光陶瓷 ? 由外电场引起晶体折射率的变化,称为电光效应。 ? 从本质上讲,透明陶瓷的电畴状态决定光学性质,而 电畴状态又受控于电场,所以其光学性质是“电控 ” 的,存在三种效应:电控双折射,电控光散射,电控 表面形变。 § 7-2 透明电光陶瓷 ? 1) 电控双折射 细晶陶瓷(≤2μm,电畴尺寸较小,故畴壁对光 的散射作用很弱,主要为双折射效应。 · 光轴 e光 o光 § 7-2 透明电光陶瓷 双折射现象 白纸上涂一个黑点,将方解石放 在纸上,可观察到两个黑点,旋 转方解石,一个黑点不动,另一 个黑点旋转。 当一束自然光穿过方解石等晶 体时,分成两条折射光的现象 称为双折射现象。 这两条光线 透明电光陶瓷 ? 外电场改变→Pr改变(Pr方向为光轴,PLZT极化后 有统一的光轴)→双折射的变化→产生干涉现象。 因此,通过控制电场的变化,借助于一定的装置, 可使单色光产生从透过量最大到完全截止(消光) 的变化。 ? 可制成电控光阀,电控光谱滤色器。 § 7-2 透明电光陶瓷 ? 2) 电控光散射 粗晶陶瓷(>2~3μm),电畴尺寸大,畴壁对于 横向(和畴壁切线相交的方向,不一定为畴壁的法 向方向)入射光,将产生明显的散射作用,因而使 透过光消偏振,掩盖了双折射效应。故外电场改变 →电畴取向改变→控制光散射变化→光透过率变化。 可制成电控光阀,图像储存和显示器件。 § 7-2 透明电光陶瓷 ? 3) 电控表面形变 与晶粒大小无关。 改变外电场→Pr的变化→表面处凹凸形变(电畴的局 部反转→结晶轴向的局部改变)→电控表面形变。 可 制成图像储存,记忆等器件。 § 7-2 透明电光陶瓷 3. 常用电光陶瓷材料 P131 表5-11 ? PLZT瓷已达到商品化水平。 ? 镧(La)在PZT中的固溶限较高,故PLZT可制 成系列电光性能不同的透明陶瓷。 § 7-2 透明电光陶瓷 4. 电光陶瓷工艺与要求 ? 1) 具有很高的致密度,体积密度大于99%理论密度。 (气孔是光散射中心) ? 2) 化学组成均匀。(否则介电系数波动过大,导致 光波的传播速度、折射率变化大) ? 3) 表面具有足够的光洁度(否则表面反射)。 § 7-2 透明电光陶瓷 制备工艺要求: ? 1) 液相化学共沉法制PLZT(高纯、超细、化学计量 比准确、化学组成均匀); ? 2) 热压烧法(通氧热压烧结→高致密度,热等静压 烧结); ? 表面研磨→足够的光洁度。

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