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? 镧(La)正在PZT中的固溶限较高
时间: 2019-09-18   浏览次数:

  第七章 压电陶瓷 §7-1 压电陶瓷 §7-2 通明电光陶瓷 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-1 压电材料概述 §7-1-2 压电陶瓷的次要参数 §7-1-3 铅基压电陶瓷 §7-1-4 无铅压电陶瓷 § 7-1 压电陶瓷 沉点控制的几个概念: ? 压电效应 ? 预极化 ? 准同型相界 ? 软性代替 ? 硬性代替 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-1 压电材料概述 ? 正压电效应:正在没有对称核心的晶体上机械感化 时,发生取机械应力成比例的介质极化,同时正在晶体 的两头面呈现正负电荷。 ? 逆压电效应:当正在晶体上电场时,则发生取电场 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—电能量的彼此转换。 机械量 压电元件 电量 压电效应的可逆性 § 7-1 压电陶瓷 正在天然界中大大都晶体都具有压电效应,但压 电效应十分微弱。跟着对材料的深切研究,发觉石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是机能优秀的压 电材料。 § 7-1 压电陶瓷 石英晶体化学式为SiO2,是单晶体布局。图(a)暗示了 天然布局的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英晶 体各个标的目的的特征是分歧的。此中纵向轴z称为光轴,经 过六面体棱线并垂曲于光轴的x称为电轴,取x和z轴同时 垂曲的轴y称为机械轴。凡是把沿电轴x标的目的的力感化下 发生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机 械轴y标的目的的力感化下发生电荷的压电效应称为“横向压 电效应”。而沿光轴z标的目的的力感化时不发生压电效应。 § 7-1 压电陶瓷 z z b o o y x o y z x x a c y (a ) (b ) (c) (a) 晶体外形; (b) 切割标的目的; (c) 晶片 § 7-1 压电陶瓷 (a) 不受力时; (b) x轴标的目的受力; (c) y轴标的目的受力 § 7-1 压电陶瓷 当外力F=0时,压电陶瓷概况存正在一层概况电荷,其 大小取压电陶瓷的电荷相等,符号取电荷相反, 因此晶体对外不显示电性。 正在外力F的感化下,压电陶瓷发生形变,晶体的极化强 度发生变化,因此概况电荷变化,晶体对外显示电 性——压电效应。 正在压电陶瓷上加上电场,设电场标的目的取极化标的目的不异, 则晶体的极化加强,晶体沿极化标的目的伸长,发生了形变— —逆压电效应。若加上反向场强,则晶体沿极化标的目的缩短; 若加变电场,则晶体发生振动。 § 7-1 压电陶瓷 ? 晶体具有压电性的需要前提是晶体不具有对称核心。 ? 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, 但因为晶粒和电畴分布无必然法则,各标的目的几率不异, 使ΣP =0,因此不显示压电效应,故必需颠末人工预极 化处置,使ΣP ≠0,才能对外显示压电效应。 ? 陶瓷的压电效应来历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 残剩伸长 (a) 极化前 (b) 预极化后 (c) 预极化后撤出外场 陶瓷的预极化示企图 § 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 ? 使用举例: ? 水声手艺:水声换能器 ? 超声手艺:超声清洗、超声乳化、超声分离 ? 高电压发生安拆:压电焚烧器、引燃、压电变压器 ? 电声设备:麦克风、扬声器、压电 ? 传感器:压电地动仪 ? 压电驱动器 。。。。。。。。 § 7-1 压电陶瓷 ? 压电陶瓷的晶体布局: ? 1. 钙钛矿布局 ? 2. 钨青铜型布局 ? 3. 铌酸锂型布局 ? 4. 铋层状布局 § 7-1 压电陶瓷 1. 钙钛矿布局 ABO3: A:+1,+2,+3 Na+,K+,Ba2+,La3+ B:+5,+4,+3 Nb5+,Ti4+,Fe3+ § 7-1 压电陶瓷 2. 钨青铜型布局 ? [BO6]氧八面体以顶角相连构 成骨架。 ? B离子为Nb、Ta、W等。 ? [BO6]骨架间存正在三种空地: A1(较大)、A2(最大)、C (最小) ? 氧八面体核心因所处的 对称性分歧可能为B1和B2 ? 填满型取非填满型。 钨青铜布局正在(001)面上的投影 § 7-1 压电陶瓷 3. 铌酸锂型布局 ? 氧八面体以共面形式堆叠 ? Li位于氧八面体的公共面 ? Nb位于氧八面体核心 ? 极化时,Li,Nb偏离核心位 置,沿c轴呈现电偶极矩 顺电相 铁电相 § 7-1 压电陶瓷 4. 铋层状布局 Bi4Ti3O12 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-2 压电陶瓷的次要参数 做为介电材料,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。 做为压电材料,还必需弥补一些参数: ? 压电系数d、g ? 机电耦合系数k ? 机械质量要素Q ? 频次系数N § 7-1 压电陶瓷 ? 压电系数d :单元机械应力T所发生的极化强度P d ? P / T (C/N) 或:单元电场强度V/x所发生的应变△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 一位数字暗示压电陶瓷的极化标的目的;第二位数字暗示机械 振动标的目的)。四方钙钛矿布局有三个的压电系数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:单元应力T所发生的电场强度E;或单 位电荷所发生的形变。 m/N) g ? ?E / T (V· d和g本色上是不异的,只是正在分歧的角度反映了材料的压 电机能,d用得较为遍及,g常用于领受型换能器、拾音器, 高压发生器等场所。 § 7-1 压电陶瓷 ? 机电耦合系数k k2 ? 机械能改变所得电能 电能改变所得的机械能 或 k2 ? 输入的机械能 输入的电能 Kp 是压电材料进行机械能 - 电能转换的能力反映。它 取材料的压电系数、ε和弹性等相关,是一个比力分析 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, 因为转换不成能完全,总有一部门能量以热能、声波等形 式丧失或向四周介质,因此K老是小于1的。 § 7-1 压电陶瓷 ? 分歧材料的k值分歧;同种材料因为振动体例分歧,k 值也分歧。 ? 常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数k33 、 以及沿圆片的半径标的目的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 化 方 向 Y Z X 振动标的目的 极 化 方 向 振 动 方 向 极 化 方 向 Z 条状振子 K31(横向耦机电合系数) 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 ? 机械质量要素Qm 谐振时振子储存的机械能 Qm ? 2? 每一谐振周期振子所耗损的机械能 § 7-1 压电陶瓷 逆压电效应使压电材料发生形变,形变又会发生电信 号,若是压电元件上加流信号,当交换电信号的频次 取元件(振子)的固有振动频次fT相等时,便发生谐振。 振动时晶格形变发生内摩擦,而损耗一部门能量(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 的大小以取响应 的谐振体例相关,无出格申明时暗示平面(或径向)振动 的机械质量要素。 正在滤波器、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 ? 频次系数N :压电振子的谐振频次f0取振动标的目的上线度的 乘积。 N ? f0 L 只取材料性质相关,而取尺寸要素无关。 § 7-1 压电陶瓷 铁电单晶虽然具有较高的压电效应,但单晶工艺复 杂,不易加工成各类外形,因此不易大量出产,成本也 很高。 铁电陶瓷则易加工出产,成本低,且能按照分歧的 用处对机能的要求采用改性。错误谬误:存正在粒界,气 孔及其它缺陷,平均性及机械强度不敷抱负,电损耗较 大,妨碍了压电陶瓷正在高频次中的利用。 § 7-1 压电陶瓷 §7-1-3 铅基压电陶瓷 ? 1. 单位系 ? 2. 二元系 ? 3. 三元系 § 7-1 压电陶瓷 单位系 1. PbTiO3 ? 钙钛矿布局铁电体,Tc高,490℃。 ? 各向同性大(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,预极化坚苦。提高极化温度有益于极 化,但抗电强度下降,易击穿。 ? 掺入少量稀土、NiO、MnO2等,可推进烧结。 ? 晶粒大小取机电耦合系数k相关。 § 7-1 压电陶瓷 BaTiO3系取PbTiO3系压电陶瓷 自从1942~1943年之间美、日、苏联学者各自觉 现BaTiO3 中存正在非常的介电现象,1947年又发觉预极化 后的BaTiO3陶瓷的压电机能,并制成压电元件用于拾音 器、换能器; 二和期间, BaTiO3成功用于水声及电声换能器、通 讯滤波器上,正在很长的一段时间内,BaTiO3陶瓷是次要 的压电陶瓷材料,但目前其感化范畴正在不竭缩小。 § 7-1 压电陶瓷 BaTiO3陶瓷 工做温区窄(Tc=120℃) 易极化 PbTiO3陶瓷 工做温区宽(Tc=490℃) 难极化 热不变性差 ε=1900 Kp =0.354 热不变性好 ε=190 Kp =0.095 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏· 米 /牛 ) 工艺性好 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 比力可知,BaTiO3压电性好,工艺性好,但致命弱 点是工做温区窄( 0~120℃ ),且正在工做温区内各压电 机能随温度变化很大,图 5-1 ( P115 )。因而比拟之下, PbTiO3的工做温度区宽,机能更不变。 别的, 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,抗辐射机能好,仍是 一种相当抱负的热释电探测器材料。 § 7-1 压电陶瓷 2. PbNb2O6 ? 钨青铜布局 ? Tc高(570℃) ? 压电系数的各向同性大,d33/d31≈10 ? 机械质量要素出格低(Q≈11) 次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 人们正在 1953 年起起头试制成功 PbZrO3-PbTiO3 二元 系固溶体压电陶瓷,其各项压电机能和温度不变性等均 大大优于BaTiO3、PbTiO3压电陶瓷,因而获得了普遍的 使用。如水声、电声和通信滤波器件中。 下面次要引见二元系压电陶瓷PZT系陶瓷。 § 7-1 压电陶瓷 PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相布局 PbZrO3和PbTiO3的布局特点比力: PbZrO3 布局 钙钛矿布局 Tc (立方顺电) 230℃(正交晶系) PbTiO3 钙钛矿布局 490℃ 类别 Tc Tc 反铁电体 c/a1(0.981, 正交) 立方顺电相 铁电体 c/a1(1.063) PbZrO3和PbTiO3的布局不异,Zr4+取Ti4+的半径附近,故两者可构成无 限固溶体,可暗示为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系陶瓷的相布局 § 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 线以下, Zr : Ti=53 : 47 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,并取 Tc线℃ (表白相界附近居 里温度Tc高),正在相界附近,晶胞参数发生突变(见P119 图5-7)。 § 7-1 压电陶瓷 (3) 尝试表白,正在四方铁电相Ft取三方铁电相FR(高温)的相 界附近具有很强的压电效应。Kp, ε呈现极大值,Qm呈现极 小值。见P120图5-9。 § 7-1 压电陶瓷 缘由为:这种现象取晶相布局中相并存或相堆叠相关, 雷同BaTiO3 瓷中的堆叠效应。相界线不是明白的成分分界线, 而是具有必然宽度、成分比范畴的相堆叠区域,正在相界线附 近,晶粒中可同时存正在四方铁电相和三方铁电相。 正在此区域内, Ft 和 FR( 高温 ) 能附近,相改变激活能低, 正在弱电场下就能发生布局相变,使分歧取向的晶粒的自 发极化轴尽可能同一到电场标的目的,因此ε↑,KP ↑ 。因为电畴 定向充实,内摩擦增大,故Qm ↓ 。因而,为了获得KP ↑,ε ↑的 材料,构成宜选正在 Zr : Ti=53: 47 附近,为了获得 Qm ↑ 陪伴 KP ↓的材料,则应选正在远离53:47处。 由图可见,正在相界附近的PZT瓷压电机能比BaTiO3瓷高得多。 (4) 因为相界处 PZT 瓷的 Tc=360℃高,第二改变点低,因此正在 200℃以内KP,ε都很不变,是抱负的压电材料。 § 7-1 压电陶瓷 PZT瓷的改性: 为了满脚分歧的利用目标,我们需要具有各类机能的PZT压 电陶瓷,为此我们能够添加分歧的离子来代替A位的Pb2+离子 或B位的Zr4+,Ti4+离子,从而改良材料的机能。 ?等价代替 ? ?软性代替改性 ? PZT的改性分为: ? ? 异价代替 ?硬性代替改性 ? ?其它代替改性 ? ? ? § 7-1 压电陶瓷 a. 等价A位代替 等价代替是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二价离子取 代Pb2+,成果使PZT瓷的ε↑,KP ↑,d↑,从而提高PZT 瓷的压电机能。 § 7-1 压电陶瓷 上述离子代替 Pb2+后,晶体布局并未发生变化,仍为 钙钛矿型布局,但呈现了晶格畸变,晶格能添加,电 畴转向激活能减小,正在人工预极化处置时,有益于90o畴转 向取保留,故ε↑,KP ↑, d↑ 。别的,Sr2+代替Pb2+后,Tc↓, 也使常温下的 ε↑ 。因为一个代替离子往往影响四周 103 个 晶胞,因此插手5~10 mol%的添加物就脚以影响整个晶体 了。过多的添加物往往会向晶界偏析,且会使晶体布局向 立方顺电相改变。等价代替也包罗用 Sn4+ 、 Hf4+ 离子,但 结果不显著,很少利用。 § 7-1 压电陶瓷 b. 软性代替改性(高价缺位代替) 所谓“软”是指插手这些添加物后能使矫顽场强EC ↓ , 因此正在电场或应力感化下,材料性量变“软”。 软性代替采用La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等代替A位Pb2+离子 或 Nb5+ 、 Ta5+ 、 Sb5+ 、 W6+ 等代替 B 位的 Zr4+ 、 Ti4+ 离子。 经代替改性后的PZT瓷机能有如下变化: § 7-1 压电陶瓷 矫顽场强EC ↓ ,电畅回线为矩形(瘦高) ε↑,KP ↑,tgδ↑,Qm ↓,抗老化性↑,ρV ↑ 。 缘由:应力缓冲效应 高价离子代替,发生Pb缺位,可部门缓冲(应力,形 变) 畴壁易活动 EC ↓ Ps ↑ KP Qm ↓ ε↑, tgδ ↑ ? x La2O3 ?PZT ?? ? 2LaPb ? VPb ? 3OO ? Nb2O5 ?PZT ?? ? 2NbTi ? VPb ? 5Oox (由尝试知不成能生成 VB ,或 Oi ,故只能生成 VPb ) § 7-1 压电陶瓷 90o 畴转向后,使晶轴标的目的变 化,形变标的目的也发生变化,因 而构成应力。随时间的推移, 90o 畴趋于恢回复复兴状,发生老 化( ε↑ 、 KP↑ 、 Qm↓ )插手软 VPb 性添加剂后构成 ,可缓冲这 种应力,使残剩应力下降,剩 余极化强度 Ps 很快不变下来, 因此抗老化性加强。 § 7-1 压电陶瓷 电荷弥补效应 铅陶瓷正在烧结时,因为PbO的饱和蒸汽压高,因此PbO易挥发。PZT瓷 正在烧结时,因为PbO挥发而构成VPb 。 1 ? O2 ( g ) ? ?? VPb ? 2h. ? Oox 2 VPb 起受从感化,生成 VPb 时陪伴2h?生成,因此使PZT瓷为P型导电。当 材猜中插手恰当高价杂质后,做为施从,可供给电子。 ? La2O3 ?PZT ?? ? ? 2e ? 3Oox 2LaPb Nb2O5 ?PZT ?? ? ? 2NbTi ? 2e ? 5Oox 这些电子取空穴复合h+e=0,因此使电导率σ↓,电阻率ρv ↑,从而可正在 更强的电场下预极化,使Pr ↑, K P ↑ 。 一般软性添加剂的量≤1wt %,过多将改变钙钛矿布局。 § 7-1 压电陶瓷 c. 硬性代替改性(低价代替) 硬性代替采用 K+,Na+代替A位的Pb2+离子,Fe2+、Co2+、 Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Ga3+、In3+、 Cr3+ 等离子代替B位的Ti4+,Zr4+离子。 代替后Ec ↑,极化变难,性量变“硬”。 感化:Ec ↑ 、ε↓、KP ↓ 、tgσ ↓ 、Qm ↑ (抗老化性↓ )、ρv ↓ § 7-1 压电陶瓷 硬性添加剂插手后极化坚苦,只要正在高温下预极化, 但T ↑时ρv ↓ ,这就使预极化场强不克不及太高,从而Ps ↓这是 K P ↓ 的一个缘由。 硬性添加剂插手后构成 VO?? ,因为 VO?? 不成能良多,否 则将钙钛矿布局(氧八面体共极点构成骨架),因此 硬性添加剂固溶度无限,多余部门向晶界偏析,可晶 粒发展,使晶粒细化,材料致密,从而Qm ↑ 。 § 7-1 压电陶瓷 (d) PZT中插手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 压电陶瓷用处良多,分歧场所对压电陶瓷机能要求分歧。 ?领受型水声换能器:g 33或g 31大,K P ?, 高效率、高活络度 软性材料 ? ? 大功率 硬性材料 ? ?Ec ?, tg? ?, Qm ?, 不变性 ? ? 换 ?发射型水声换能器: ? KP ? 高效率 软性材料 ? ? 能? 电声材料: K ? ,? ? 高效率 软性材料 器? ? ? 高效率、高活络度 软性材料 ?K ?, g ? ?引燃、拾音、高压发生器: ? ? ? 低电容 硬性材料 ?? ? ? 振 ?陶瓷滤波器、变频器: ? 子 ?陶瓷振荡器: Qm ?, 热不变性好 抗老化性好 低衰减 硬性材料 频次不变 软性材料 § 7-1 压电陶瓷 因为一些机能往往是互相胁制的,如Qm ↑ ,则KP ↓ ; ε↑则tgδ ↑ ;KP ↑则热不变性↓,因而选用材料时应全面考虑, 恰当折中。 P124表5-4则列举了几种国内比力常见的PZT瓷料的配 方和机能。这组材猜中KP=0.10~0.40,Qm=500~3600 ,具 有比力宽的笼盖范畴,能满脚一般压电器件的要求,但这 些机能都不是最佳值。1965年以来,人们通过正在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构成的 三元系压电瓷以达到更好的机能。 § 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,是正在PZT的根本上再添加三元复合钙钛矿型物质 (A,A’)(B,B’)O3 而构成的。正在现实大多 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。因而:正在钙钛矿布局的三维八 面体网中,正在彼此固溶的环境下,八面体的核心将有四种 或更多电价不必然为 4的元素(包罗 Zr和Ti)统计地平均 分布,改变其元素品种取配料,就可调整、优选出一系列 具有特殊机能的压电陶瓷。P124表5-5及P125表5-6别离为 常见三元系压电陶瓷瓷料构成及“复合金属离子组合”。 § 7-1 压电陶瓷 b. 特征: 烧结温度低 ? 削减铅挥发,较好节制 含铅量 ? ? 推进烧结进行 ? ? ? ? 平均致密,气孔率小 ? 局部晶粒过度长大? ? ?最低共熔点? ? ?多种氧化物的存正在? ?构成固溶体时能? ?异相物质可局部晶 粒过度长大 ? § 7-1 压电陶瓷 因为第三相的呈现,使可供选择的构成范畴更为宽广, 正在PTZ中难以获得的数或难以兼顾的几种机能均能够 较大程度地满脚。 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。跟着Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的添加,正在室温下将出 现两条准同形相界。尝试发觉,当成分正在准同形相界附近 时都具有出格凸起的压电机能。因而正在PTZ系列中只要当 Zr:Ti=53:47时的“一个点”附近可供选择。而正在PCM 系列中当 Zr : Ti=44~54 整根准同形相界附近,都具有这 种因为相堆叠而惹起的凸起压电机能,KP、ε特征呈现不 持续的成分比。(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. 铋层状布局 § 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,工艺简单,成本低廉。 声概况波器件对压电陶瓷的要求: ? 高致密度、小的气孔曲径、小晶粒尺寸、高Qm ? 较大的声概况波无效机电耦合系数 ? ε小,以提大声概况波器件的声 ? 概况波声速的温度系数和频次老化率小 ? 平均性好、反复性好、成本低廉 § 7-2 通明电光陶瓷 §7-2 通明电光陶瓷 ? 1. 什么叫通明陶瓷? ? 2. 铁电陶瓷的电光特征 ? 3. 常用电光陶瓷材料 ? 4. 电光陶瓷工艺取要求 § 7-2 通明电光陶瓷 1. 什么叫通明陶瓷? ? 具有多晶布局,但不是多相的陶瓷,而且具有特殊 的 晶 界, 有 相 当高 的通明度 ,故称为 通明陶瓷 。 (根基无气相,瓷体密度接近或达到理论值,且经 过概况研磨,抛光)具有必然的光学机能(粒界为 一层极其紧凑的,相当薄的过渡层),介于单晶取 多晶之间的材料。 ? 若通明的铁电陶瓷通过电场感化就可改变其光学性 能,称为通明电光陶瓷。 § 7-2 通明电光陶瓷 2. 铁电陶瓷的电光特征 ? 光线正在介质中的速度是取介质的ε的平方根成反比。 而铁电体中ε的大小能够通过外电场强度的节制来达到 改变-→改变介质的折射率。 ? 设外加偏置电场为E0,折射率为n 0 2 n ? n0 ? aE0 ? bE0 ? ??? § 7-2 通明电光陶瓷 ? 由外电场惹起晶体折射率的变化,称为电光效应。 ? 从素质上讲,通明陶瓷的电畴形态决定光学性质,而 电畴形态又受控于电场,所以其光学性质是“电控 ” 的,存正在三种效应:电控双折射,电控光散射,电控 概况形变。 § 7-2 通明电光陶瓷 ? 1) 电控双折射 细晶陶瓷( ≤ 2μm ,电畴尺寸较小,故畴壁对光 的散射感化很弱,次要为双折射效应。 o光 · e光 光轴 § 7-2 通明电光陶瓷 双折射现象 白纸上涂一个黑点,将方解石放 正在纸上,可察看到两个黑点,旋 转方解石,一个黑点不动,另一 个黑点扭转。 当一束天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 通明电光陶瓷 ? 外电场改变→Pr改变(Pr标的目的为光轴,PLZT极化后 有同一的光轴)→双折射的变化 →发生现象。 因而,通过节制电场的变化,借帮于必然的安拆, 可使单色光发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 通明电光陶瓷 ? 2) 电控光散射 粗晶陶瓷(>2~3μm),电畴尺寸大,畴壁对于 横向(和畴壁切线订交的标的目的,不必然为畴壁的法 向标的目的)入射光,将发生较着的散射感化,因此使 透过光消偏振,了双折射效应。故外电场改变 → 电畴取向改变 → 节制光散射变化 → 光透过率变化。 可制成电控光阀,图像储存和显示器件。 § 7-2 通明电光陶瓷 ? 3) 电控概况形变 取晶粒大小无关。 改变外电场 → Pr 的变化 → 概况处凹凸形变(电畴的局 部反转→结晶轴向的局部改变)→电控概况形变。 可 制成图像储存,回忆等器件。 § 7-2 通明电光陶瓷 3. 常用电光陶瓷材料 P131 表5-11 ? PLZT瓷已达到商品化程度。 ? 镧(La)正在PZT中的固溶限较高,故 PLZT可制 成系列电光机能分歧的通明陶瓷。 § 7-2 通明电光陶瓷 4. 电光陶瓷工艺取要求 ? 1) 具有很高的致密度,体积密度大于 99%理论密度。 (气孔是光散射核心) ? 2) 化学构成平均。(不然介电系数波动过大,导致 光波的速度、折射率变化大) ? 3) 概况具有脚够的光洁度(不然概况反射)。 § 7-2 通明电光陶瓷 制备工艺要求: ? 1) 液相化学共沉法制PLZT(高纯、超细、化学计量 比精确、化学构成平均); ? 2) 热压烧法(通氧热压烧结 → 高致密度,热等静压 烧结); ? 概况研磨→脚够的光洁度。

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