壓電陶瓷換能器的可行性初步研究-wenkub
2023-07-08 16:27:01 本頁面
【正文】 98%以上。2)材料類型①接收型壓電陶瓷材料已引入了降低電導率和老化率的高價施主雜質(zhì)，%以內(nèi)的雜質(zhì)不足以顯著影響施主雜質(zhì)的既定作用。(2)雜質(zhì)含量壓電陶瓷材料中雜質(zhì)允許量主要根據(jù)以下三點因素決定：1)雜質(zhì)類型①有害雜質(zhì)對材料絕緣、介電性等影響極大的雜質(zhì)，特別是異價離子。(1)純度對純度的要求應適度。工藝條件的變化，對壓電性能的影響很大。如圖所示, 如果所加的壓力平行于極化軸, 或所加張力垂直于極化軸, 就會產(chǎn)生一個極性與極化電壓相反的電壓。兩種作用的組合產(chǎn)生一種總體形變, 形變性質(zhì)取決于陶瓷的形狀和組分、極化軸的取向和電極的取向。圖 3 壓電陶瓷片極化后產(chǎn)生形變圖 4 壓電陶瓷的基本變形圖 5 給陶瓷片加壓力或張力產(chǎn)生一定電壓的交流部電信號若在陶瓷片上施加的交流信號呈極性相反時就會產(chǎn)生相反的作用：沿極化軸（x方向）出現(xiàn)收縮，垂直于極化軸方向（y方向）出現(xiàn)膨脹。如圖2所示。此外, 這些陶瓷的機械定向和電學定向可與陶瓷的形狀準確取向。壓電陶瓷的發(fā)展趨勢：壓電復合材料，壓電薄膜，無鉛壓電陶瓷，納米壓電陶瓷等，出現(xiàn)高位移的新型壓電致動器，壓電變壓器，主動減振和降噪的壓電器件，醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器等新器件。壓電陶瓷目前有以下幾種分類：A：一元系壓電陶瓷BaTiO3是典型的陶瓷鐵電體，機電耦合系數(shù)大，制備容易可以制成任意形狀和任意極化方向的產(chǎn)品等的優(yōu)點。這是一種具有壓電效應的材料。正壓電效應：某些材料在機械應力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷的現(xiàn)象。PbTiO3居里溫度高（Tc=490），自發(fā)極化強度是各種鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的鐵電體中最高的，是一種具有熱釋電性和壓電性，能在高溫下使用的壓電陶瓷。二、 壓電陶瓷換能器壓電陶瓷換能器的特點是：致密度高、機械強度高、加工容易、適合大批量生產(chǎn)。壓電陶瓷換能器廣泛應用于數(shù)據(jù)處理、信息處理、通訊、聲納、陀螺、水聲器、記步器、激光器、噴墨打印、超聲清洗、超聲焊接、報警、以及燃氣設(shè)備等行業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域。圖2 壓電陶瓷片的極化效應圖二中的①為極化前,②為極化后，a為陶瓷片的厚度(即極化電極之間的尺寸)，b為陶瓷片的電極。如圖（3）中的①所示。圖(4)表示一些陶瓷片的一些形變模式、厚度和表面切變、厚度膨脹和收縮。壓電陶瓷換能器的制造是經(jīng)過配料、燒結(jié)、機械加工、表面金屬化、用直流電場進行極化處理而得到。因此，我們要認識壓電陶瓷的內(nèi)在規(guī)律，設(shè)計合理的制作工藝，嚴格控制它的操作過程。高純原料，價格昂貴，燒結(jié)溫度高，溫區(qū)窄。如B、C、P、S、Al等，愈少愈好。②發(fā)射型壓電陶瓷材料要求低機電損耗，因而配料中的雜質(zhì)總量，愈少愈好，%以下。配方中比例小的其它原料，雜質(zhì)總含量可稍高一些，一般均在3%以下，即要求純度均在97%以上，特殊要求例外。宜采用與水不起作用、穩(wěn)定的、加熱又能分解出活潑性大的新鮮氧化物的相應的碳酸鹽。如Pb3O4原料比PbO原料活潑性好。另外，還可減小陶瓷內(nèi)應力，增加機械強度等。一般在電熱式干燥箱中干燥。 配方計算與稱料(1)配方計算壓電陶瓷材料的配方計算通常有兩種方法：1) 由原料的重量比來計算配方的方法① 寫出配方的化學分子式② 寫出所用原料的分子式、純度，并查出其分子量(mol質(zhì)量)③ 用以下公式計算各原料所需用量 (i=1，2，…，n) (1)式中xi為原料的mol數(shù)，Mi為其mol質(zhì)量，xiMi為其質(zhì)量，Pi為其純度；為配方總質(zhì)量；W為總配料用量。(2) 稱料計算稱料必須達到以下要求：①稱料天平須有一定精度。③稱料與投料按大料小料大料順序，以保證小料在混合中的均勻性。(1)工藝方法使用球磨機(滾筒式、行星式、攪拌式和振動式等球磨機)，加磨球(鋼球、瑪瑙球、鋯球等)與介質(zhì)(水、酒精等)，對原料進行機械混合或粉碎。(1)預燒的目的①使各原料的固相化學反應充分均勻，生成組成固定的固溶體，形成主晶相。圖14 PZT形成的差熱曲線圖15 PZT合成時各相的變化由圖14中以Pb3O4為原料的差熱曲線可知：①630℃的吸熱效應是因Pb3O4分解為PbO引起，并開始形成PbTiO3，到650℃形成PbTiO3的反應最為顯著。500℃前爐門微開，以利排除有機物和水分等，之后關(guān)爐門。降溫速率：關(guān)電隨爐冷卻，至200℃以下出爐。化學分析：游離鋯、鈦、鉛少，%相分析：為鈣鈦礦相，無雜相。③升溫速率和保溫時間。排塑就是在一定溫度下，將成型過程中加入瓷料中的粘合劑（或塑化劑）排除，并使坯體具有一定的機械強度。干壓成型是將經(jīng)過造粒的瓷料裝入一定形狀的鋼模內(nèi)，借助于模塞，在一定外力下壓制成坯體。（2） 成型條件選擇的一般原則1) 加壓方式干壓成型一般分單向加壓和雙向加壓兩種方式。3) 加壓速度和保壓時間對于較大體積坯體，加壓必須緩慢，達到最大壓力后，需保壓一定時間，以利于排除坯體中的空氣，防止分層和裂紋。3）粘合劑的配制粘合劑的品種很多，壓電瓷料干壓成型使用聚乙烯醇（PVA）的比較多，無毒，且基本能滿足上述要求。粘度較大，存放期較長，不易變質(zhì)，但較低溫度下過稠，不宜采用。1) 造粒的作用因細磨后的瓷粉細且輕、比表面積大、占據(jù)體積大，從而流動性差、裝填密度和壓實密度不高。②加壓造粒法將瓷料加入45wt%的5%濃度PVA水溶液粘合劑，在混料機中攪研均勻，過20目/吋篩。但產(chǎn)量較小，效率不高，工藝操作要求嚴格，適合于實驗室實驗和中批量生產(chǎn)。宜于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備成本高。n一般選1750177。過多，排塑后，氣孔多，影響坯體和瓷體密度及機電性能2) 團粒性質(zhì)主要包括粒形、粒度、粒度分布、密度等對流動性、裝填密度和壓實密度的影響。一氧化碳奪取PZT中的氧而形成二氧化碳，使金屬氧化物還原為導電的金屬（如Pb）和半導體性質(zhì)的低價氧化物（如Ti2O3），影響陶瓷的顏色、成瓷性、燒銀、極化和最終性能。這樣，100℃左右要保溫一段時間，500℃以前必須緩慢升溫。典
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