壓電材料的分類
1.類壓電材料--壓電單晶
這是天然形成或人工制成的、具有各向異性的單晶鐵電體材料,它具有的壓電效應是基于組成晶體結構的點陣上正負離子相對位置變化而引起的。常用的壓電單晶有:
石英(SiO2):這是天然形成或人工培育(人造水晶)的晶體,均勻性好,居里點高;阻抗高,機械Q值(Qm)大;硬度高、耐磨性好;不會潮解;性能極穩定,老化極慢極小,而且其性能隨溫度的變化極小,可獲得不隨時間而變的線性頻率溫度系數;損耗小,可用于*的頻率;絕緣性能好,能在高電壓下使用;能用于較高和極低的溫度環境等。由于石英具備了許多*的性能,故至今仍被廣泛應用,特別是用作標準換能器以及例如電腦設備中的時間振蕩器等。它的缺點是機電變換效率低,使系統回路的增益較低。
鈮酸鋰(LiNbO3):這是人工培育的鐵電單晶,直徑可達120mm。鈮酸鋰可被用于直接激發超聲橫波且機電耦合系數很高,具有*的壓電性能,它的Qm值相當大,居里點很高,能在高溫下使用,極化穩定,超聲傳播損失小,不潮解,頻率常數很大,可用于制作超高頻的換能器等等。因此,它已被用作聲表面波換能器的常用基本材料,當用作體積波換能器時能獲得比常用壓電陶瓷換能器還要好的靈敏度,也用作超聲測厚以及窄脈沖換能器。
α碘酸鋰(α-LiIO3):這也是人工單晶,它的機械性能較好,容易加工,能溶于水但不易潮解,物理化學性能比較穩定,壓電性能優良,特別是具有高的機電耦合系數和低的介電常數,并且Qm值相當低,很適合制作高靈敏度、高分辨率的寬帶換能器及延遲線,例如制作超聲測厚以及窄脈沖換能器。
此外還有接收性能良好的硫酸鋰(Li2SO4)等。
2.第二類壓電材料--壓電陶瓷
這是通過粉末燒結方法人工焙燒制成的多晶鐵電體材料,它具有的壓電效應是基于電致伸縮效應,其壓電性能隨燒結工藝和配方成分的不同而存在差異,因此其種類繁多且性能也互有出入。
例如:將材料研磨到400目,加粘合劑,加壓,高溫焙燒成塊,再鋸切研磨拋光成壓電陶瓷晶片成品。
壓電陶瓷易于制成各種形狀,可以多種振動模式振動以適應于各種用途,具有較高的機電耦合系數,較高的回路增益和靈敏度,這是它的重要*性。
常用的壓電陶瓷有:
鈦酸鋇(BaTiO3):這是用*(TiO2)與碳酸鋇(BaCO3)在高溫下混合燒結而成的,這是較早期使用的壓電陶瓷,它的居里溫度低,溫度依賴性大,并且時間穩定性和熱穩定性較差,現在仍有用于聲納輻射器和*的。
鋯鈦酸鉛[Pb(ZrxTi1-x)O3]:(x<1),代號PZT,有多種配方并各有特點,是目前常用的壓電陶瓷。
PZT系列的主要特點是機電耦合系數高,而其中的PZT-4為發射型,它的高激勵特性好(Qm值較高,內部損耗小等),適用于聲納輻射器、*、高壓發生器以及大功率換能器等。PZT-5為接收型,它的介電常數高,老化小,Qm值低,適用于水聽器、*、電唱機拾音器、微音器以及揚聲器元件,還適用于寬帶脈沖型檢測等。此外還有:PZT-2,PZT-,PZT-5H,PZT-6A,PZT-7A,PZT-8...等等。
除了上述這些以外,壓電陶瓷的品種還有鈦酸鉛(PbTiO3)、鈮酸鉛(PbNbO3)、偏鈮酸鉛(PbNb2O6)(Qm值較低,適用于制作窄脈沖的超聲縱波換能器)、偏鈮酸鉛鋇[(Pb0.6Ba0.4)Nb2O6]、鈮酸鉀鈉[(Na0.5K0.5)NbO3]等等。
新發展的三元系壓電陶瓷,是由三元組成的,元是新添元素,成分百分比以x表示,第二元為鈦酸鉛(PbTiO3),其百分比用y表示,第三元為鋯酸鉛(PbZrO3),其百分比用Z表示,此外還添入了少量雜質和替代物。例如:鈮鎂酸鉛系[xPb(Mg1/3Nb2/3)O3]:具有徑向振動機電耦合系數(Kp)高,介電常數高,Qm值較大,穩定性較好的特點,某些配方還可達到機械強度,特別是抗彎強度很高,可用于拾音器、微音器、濾波器、變壓器、超聲延遲線以及引燃引爆器等。
鈮鋅酸鉛系[xPb(Zn1/3Nb2/3)O3]:具有高的徑向振動機電耦合系數和較低的Qm值(添加一些MnO2或NiO2則可提高Qm達到200),有較高的溫度穩定性,適用于濾波器材料。
鈮鈷酸鉛系[xPb(Co1/3Nb2/3)O3]:其徑向振動機電耦合系數Kp和Qm值均較高,可用作超聲振子和變壓器、濾波器、拾音器等。
鈮錳酸鉛系[xPb(Mn1/3Nb2/3)O3]:Qm值高、時間穩定性好、介電常數較低、徑向振動機電耦合系數Kp中等,適合作濾波器和延遲線振子。
鈮銻酸鉛系[xPb(Sb1/2Nb1/2)O3]:Kp值高、穩定性較好、Qm值大,頻率溫度系數很小。
銻錳酸鉛系[xPb(Mn1/2Sb1/2)O3]:Kp調節范圍大、Qm值很高,介質損耗小,穩定性良好。
鎢錳酸鉛系[xPb(Mn1/2W1/2)O3]:擊穿電壓*,Qm值很大,Kp值大,而且諧振頻率溫度穩定性好。
鈮鎳酸鉛系[xPb(Ni1/3Nb2/3)O3]:介電常數很大,Kp中等,聲頻特性好。
鎢鎘酸鉛系[xPb(Cd1/2W1/2)O3]:頻率的溫度與時間穩定性好。
鎂碲酸鉛系[xPb(Mg1/2Te1/2)O3]:可耐反復加壓,電、機性能老化小。
此外還有鋰銻酸鉛系[xPb(Li1/4Sb3/4)O3]和鋰鉭酸鉛系[xPb(Li1/4Ta3/4)O3],具有穩定性好,Qm值低,適用于水聲換能器。
除了三元系壓電陶瓷外,現又發展了性能優良的鈮鎳-鈮鋅-鈦-鋯酸鉛四元系壓電陶瓷。
3.第三類壓電材料--極性高分子壓電材料
這是具有壓電效應的新型人工合成的半結晶性聚合物,稱為極性高分子聚合物,其壓電效應是基于有極分子的轉動,目前以聚偏氟乙烯(PVDF)性能好。
PVDF(-CH2-CF2-)是有極性的高分子聚合物之一。在低于100℃溫度下將PVDF薄膜拉伸到原來的幾倍長,即得到β型(PVDF的一種結晶形式)薄膜,施以電極(通常為鋁),在高直流電場中極化(溫度在80-150℃),將獲得壓電性能,它可以有效地用作聲接收器,有良好的熱穩定性,此外,材料可彎曲,聲阻抗小,與水匹配較好,特別適用于水聽器以及醫學超聲診斷聲場測試用的換能器。壓電薄膜材料的缺點是信噪比尚不理想,機電耦合系數還不夠大,而且機械和介電損耗比較大。此外,由于品質因素(Qm、Qe)較小,故不適用于需要尖銳共振之處,也不適用于大輸入和連續工作,因為它在80℃以上溫度下長時間使用時,其壓電效果減小。
另外極性高分子壓電材料還有聚氟乙二烯(PVF2)等。
4.第四類壓電材料--復合壓電材料及氧化鋅壓電薄膜
復合壓電材料是將強介電性陶瓷微粒分散混合于高分子材料中而構成的,其處理和使用與高分子壓電材料一樣,其壓電性能不僅依賴于陶瓷粒子,也和作為基體的高分子材料的種類有很大關系,特別是和PVDF及氟化亞乙烯基等介電率高的高分子的復合系,可用作強壓電性材料。這種壓電材料無需像其他高分子壓電體那樣作延伸處理,內部各向同性,隨基體高分子種類的變化,可獲得較大的彈性率變化范圍,特別是可以熱壓成型,實用上很方便。如PVDF和PZT系的復合材料,其壓電性能和介電性能很穩定,這類材料已達實用階段,在應用方面與壓電高分子聚合物材料很相似。
氧化鋅(ZnO)壓電薄膜(利用真空噴涂工藝制成)用于超高頻超聲波發生與接收換能器,可用于30-3000兆赫茲頻段且效果很好,它能用于物質特性的研究、超聲延遲線、聲光器件、通訊和信息處理以及超聲顯微鏡等,具有頻帶寬,電聲轉換效率好,與激勵電路容易匹配等。
除此以外,還有硫化鎘(CdS)、氮化鋁(AlN)等也是較好的壓電薄膜材料。