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§7-1 壓電陶瓷 §7-2 透明電光陶瓷,第七章 壓電陶瓷,1,§7-1-1 壓電材料概述 §7-1-2 壓電陶瓷的主要參數(shù) §7-1-3 鉛基壓電陶瓷 §7-1-4 無鉛壓電陶瓷,§ 7-1 壓電陶瓷,2,重點掌握的幾個概念： 壓電效應 預極化 準同型相界 軟性取代 硬性取代,§ 7-1 壓電陶瓷,3,§7-1-1 壓電材料概述,正壓電效應：在沒有對稱中心的晶體上施加機械作用時，發(fā)生與機械應力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體的兩端面出現(xiàn)正負電荷。 逆壓電效應：當在晶體上施加電場時，則產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應力。 正、逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。 晶體的這種性質(zhì)稱為晶體的壓電性。,§ 7-1 壓電陶瓷,4,具有壓電效應的材料稱為壓電材料。 壓電材料能實現(xiàn)機—電能量的相互轉(zhuǎn)換。,§ 7-1 壓電陶瓷,壓電效應的可逆性,§ 7-1 壓電陶瓷,在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。  ,§ 7-1 壓電陶瓷,石英晶體化學式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖（a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應。,§ 7-1 壓電陶瓷,(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,§ 7-1 壓電陶瓷,石英晶體壓電模型 (a) 不受力時； (b) x軸方向受力； (c) y軸方向受力,當外力F=0時，壓電陶瓷表面存在一層表面電荷，其大小與壓電陶瓷的束縛電荷相等，符號與束縛電荷相反，因而晶體對外不顯示電性。,§ 7-1 壓電陶瓷,在壓電陶瓷上加上電場，設電場方向與極化方向相同，則晶體的極化加強，晶體沿極化方向伸長，產(chǎn)生了形變——逆壓電效應。若加上反向場強，則晶體沿極化方向縮短；若加上交變電場，則晶體產(chǎn)生振動。,10,晶體具有壓電性的必要條件是晶體不具有對稱中心。 所有鐵電單晶都具有壓電效應。 對于鐵電陶瓷來說，雖然各晶粒都有較強的壓電效應，但由于晶粒和電疇分布無一定規(guī)則，各方向幾率相同，使ΣP =0，因而不顯示壓電效應，故必須經(jīng)過人工預極化處理，使ΣP ≠0，才能對外顯示壓電效應。 陶瓷的壓電效應來源于材料本身的鐵電性，所有壓電陶瓷也應是鐵電陶瓷。,§ 7-1 壓電陶瓷,11,陶瓷的預極化示意圖,§ 7-1 壓電陶瓷,12,壓電材料分類： 壓電單晶 壓電陶瓷 壓電聚合物 壓電復合材料,§ 7-1 壓電陶瓷,13,應用舉例： 水聲技術(shù)：水聲換能器 超聲技術(shù)：超聲清洗、超聲乳化、超聲分散 高電壓發(fā)生裝置：壓電點火器、引燃引爆、壓電變壓器 電聲設備：麥克風、揚聲器、壓電耳機 傳感器：壓電地震儀 壓電驅(qū)動器 。。。。。。。。,§ 7-1 壓電陶瓷,14,壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)： 1. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 2. 鎢青銅型結(jié)構(gòu) 3. 鈮酸鋰型結(jié)構(gòu) 4. 鉍層狀結(jié)構(gòu),§ 7-1 壓電陶瓷,15,1. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu),ABO3： A：＋1,＋2,＋3 Na＋，K＋，Ba2+，La3+ B：＋5,＋4,＋3 Nb5+,Ti4+，F(xiàn)e3+,§ 7-1 壓電陶瓷,16,2. 鎢青銅型結(jié)構(gòu),[BO6]氧八面體以頂角相連構(gòu)成骨架。 B離子為Nb、Ta、W等。 [BO6]骨架間存在三種空隙：A1（較大）、A2（最大）、C（最小） 氧八面體中心因所處位置的對稱性不同可能為B1和B2 填滿型與非填滿型。,鎢青銅結(jié)構(gòu)在（001)面上的投影,§ 7-1 壓電陶瓷,17,3. 鈮酸鋰型結(jié)構(gòu),順電相,鐵電相,§ 7-1 壓電陶瓷,氧八面體以共面形式重疊 Li位于氧八面體的公共面 Nb位于氧八面體中心 極化時，Li,Nb偏離中心位置，沿c軸出現(xiàn)電偶極矩,18,4. 鉍層狀結(jié)構(gòu),Bi4Ti3O12,§ 7-1 壓電陶瓷,19,§7-1-2 壓電陶瓷的主要參數(shù) 作為介電材料，可用介電系數(shù)ε，介電損耗tgδ，絕緣電阻率ρ和抗電強度Eb等表征。 作為壓電材料，還必須補充一些參數(shù)： 壓電系數(shù)d、g 機電耦合系數(shù)k 機械品質(zhì)因素Q 頻率系數(shù)N,§ 7-1 壓電陶瓷,20,壓電系數(shù)d ：單位機械應力T所產(chǎn)生的極化強度P （C/N） 或：單位電場強度V/x所產(chǎn)生的應變△x/x （m/V） 常用的為橫向壓電系數(shù)d31和縱向壓電系數(shù)d33（腳標第一位數(shù)字表示壓電陶瓷的極化方向；第二位數(shù)字表示機械振動方向）。四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)有三個獨立的壓電系數(shù)d31 、d33和 d15 。,反映應力（應變）和電場（電位移）間的關(guān)系,§ 7-1 壓電陶瓷,21,壓電電壓系數(shù)g：單位應力T所產(chǎn)生的電場強度E；或單位電荷所產(chǎn)生的形變。 （V·m/N） d和g實質(zhì)上是相同的，只是在不同的角度反映了材料的壓電性能，d用得較為普遍，g常用于接收型換能器、拾音器，高壓發(fā)生器等場合。,§ 7-1 壓電陶瓷,22,機電耦合系數(shù)k 或 Kp是壓電材料進行機械能-電能轉(zhuǎn)換的能力反映。它與材料的壓電系數(shù)、ε和彈性常數(shù)等有關(guān)，是一個比較綜合的參數(shù)。 機電耦合系數(shù)反映了機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換效率，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因而K總是小于1的。,§ 7-1 壓電陶瓷,23,不同材料的k值不同；同種材料由于振動方式不同，k值也不同。 常用的有橫向機電耦合系數(shù)k31、縱向機電耦合系數(shù)k33 、以及沿圓片的半徑方向振動的平面機電耦合系數(shù)kp（或稱徑向機電耦合系數(shù)kr）。,§ 7-1 壓電陶瓷,24,§ 7-1 壓電陶瓷,,,,Z,,極化方向,,振動方向,柱狀振子 K33（縱向機電耦合系數(shù)）,Z,振動方向,,Y,條狀振子 K31（橫向耦機電合系數(shù)）,,,X,,極化方向,,,,Z,,,,極化方向,,,圓片振子 Kp（平面機電耦合系數(shù)） Kr（徑向機電耦合系數(shù)）,25,機械品質(zhì)因素Qm,§ 7-1 壓電陶瓷,逆壓電效應使壓電材料產(chǎn)生形變，形變又會產(chǎn)生電信號，如果壓電元件上加上交流信號，當交流電信號的頻率與元件（振子）的固有振動頻率fT相等時，便產(chǎn)生諧振。振動時晶格形變產(chǎn)生內(nèi)摩擦，而損耗一部分能量（轉(zhuǎn)換成熱能）。為了反映諧振時的這種損耗程度而引入Qm這個參數(shù)，Qm越高，能量的損耗就越小。Qm 的大小以與相應的諧振方式有關(guān)，無特別說明時表示平面（或徑向）振動的機械品質(zhì)因素。 在濾波器、諧振換能器、壓電音叉等諧振子中，要求高的Qm值。,§ 7-1 壓電陶瓷,頻率系數(shù)N ：壓電振子的諧振頻率f0與振動方向上線度的乘積。,只與材料性質(zhì)相關(guān)，而與尺寸因素無關(guān)。,§ 7-1 壓電陶瓷,28,鐵電單晶固然具有較高的壓電效應，但單晶工藝復雜，不易加工成各種形狀，因而不易大量生產(chǎn)，成本也很高。 鐵電陶瓷則易加工生產(chǎn)，成本低，且能根據(jù)不同的用途對性能的要求采用摻雜改性。缺點：存在粒界，氣孔及其它缺陷，均勻性及機械強度不夠理想，電損耗較大，妨礙了壓電陶瓷在高頻率中的使用。,§ 7-1 壓電陶瓷,29,§7-1-3 鉛基壓電陶瓷,1. 單元系 2. 二元系 3. 三元系,§ 7-1 壓電陶瓷,30,單元系,,PbTiO3 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體，Tc高，490℃。 各向異性大（c/a＝1.063），晶界能高，難以制備致密、機械強度高的陶瓷。 矯頑場強較大，預極化困難。提高極化溫度有利于極化，但抗電強度下降，易擊穿。 摻入少量稀土、NiO、MnO2等，可促進燒結(jié)。 晶粒大小與機電耦合系數(shù)k有關(guān)。,§ 7-1 壓電陶瓷,31,BaTiO3系與PbTiO3系壓電陶瓷 自從1942~1943年之間美、日、蘇聯(lián)學者各自獨立發(fā)現(xiàn)BaTiO3 中存在異常的介電現(xiàn)象，1947年又發(fā)現(xiàn)預極化后的BaTiO3陶瓷的壓電性能，并制成壓電元件用于拾音器、換能器； 二戰(zhàn)期間， BaTiO3成功用于水聲及電聲換能器、通訊濾波器上，在很長的一段時間內(nèi)，BaTiO3陶瓷是主要的壓電陶瓷材料，但目前其作用范圍在不斷縮小。,§ 7-1 壓電陶瓷,32,,§ 7-1 壓電陶瓷,33,比較可知，BaTiO3壓電性好，工藝性好，但致命弱點是工作溫區(qū)窄（0~120℃），且在工作溫區(qū)內(nèi)各壓電性能隨溫度變化很大，圖5-1（P115）。因此相比之下，PbTiO3的工作溫度區(qū)寬，性能更穩(wěn)定。 另外，PbTiO3陶瓷的介電系數(shù)小，熱釋電系數(shù)大，接近于60μC/cm2·K，居里點高，抗輻射性能好，還是一種相當理想的熱釋電探測器材料。,§ 7-1 壓電陶瓷,34,,PbNb2O6 鎢青銅結(jié)構(gòu) Tc高（570℃） 壓電系數(shù)的各向異性大，d33/d31≈10 機械品質(zhì)因素特別低（Q≈11）,主要用于超聲缺陷檢測、人體超身診斷及水聽器等,§ 7-1 壓電陶瓷,35,人們在1953年起開始試制成功PbZrO3-PbTiO3二元系固溶體壓電陶瓷，其各項壓電性能和溫度穩(wěn)定性等均大大優(yōu)于BaTiO3、PbTiO3壓電陶瓷，因此得到了廣泛的應用。如水聲、電聲和通訊濾波器件中。 下面主要介紹二元系壓電陶瓷PZT系陶瓷。,鉛基二元系壓電陶瓷,§ 7-1 壓電陶瓷,36,,PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結(jié)構(gòu),PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)特點比較： PbZrO3 PbTiO3 結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) Tc (立方順電) 230℃（正交晶系） 490℃ 類別 反鐵電體 鐵電體 1(1.063) Tc 立方順電相 PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡稱PZT瓷。,§ 7-1 壓電陶瓷,37,,1. PbZrO3-PbTiO3系壓電陶瓷 （1）PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相結(jié)構(gòu),§ 7-1 壓電陶瓷,38,a. PZT瓷的低溫相圖 見P120圖5-8 由圖可知： (1)隨Zr：Ti 變化，居里點幾乎線形地從235℃變到490℃ ，Tc線以上為立方順電相，無壓電效應。,§ 7-1 壓電陶瓷,39,(2) Tc線以下，Zr：Ti=53：47附近有一同質(zhì)異晶相界線（準同型相界線），富鈦側(cè)為四方鐵電相Ft，富鋯一側(cè)為高溫三方（三角）鐵電相FR（高溫），溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，并與Tc線交于360℃（表明相界附近居里溫度Tc高），在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變（見P119圖5-7）。,§ 7-1 壓電陶瓷,40,(3) 實驗表明，在四方鐵電相Ft與三方鐵電相FR（高溫）的相界附近具有很強的壓電效應。Kp, ε出現(xiàn)極大值，Qm出現(xiàn)極小值。見P120圖5-9。,§ 7-1 壓電陶瓷,41,原因為：這種現(xiàn)象與晶相結(jié)構(gòu)中相并存或相重疊有關(guān)，類似BaTiO3 瓷中的重疊效應。相界線不是明確的成分分界線，而是具有一定寬度、成分比范圍的相重疊區(qū)域，在相界線附近，晶粒中可同時存在四方鐵電相和三方鐵電相。 在此區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)t和FR(高溫)自由能相近，相轉(zhuǎn)變激活能低，在弱電場誘導下就能發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，使不同取向的晶粒的自發(fā)極化軸盡可能統(tǒng)一到電場方向，因而ε↑，KP ↑ 。由于電疇定向充分，內(nèi)摩擦增大，故Qm ↓ 。因此，為了獲得KP ↑,ε ↑的材料，組成宜選在Zr：Ti=53：47附近，為了獲得Qm ↑伴隨KP ↓的材料，則應選在遠離53：47處。,§ 7-1 壓電陶瓷,42,由圖可見，在相界附近的PZT瓷壓電性能比BaTiO3瓷高得多。 (4)由于相界處PZT瓷的Tc=360℃高，第二轉(zhuǎn)變點低，因而在200℃以內(nèi)KP，ε都很穩(wěn)定，是理想的壓電材料。,43,PZT瓷的摻雜改性: 為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的PZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來取代A位的Pb2+離子或B位的Zr4+,Ti4+離子，從而改進材料的性能。,§ 7-1 壓電陶瓷,44,a. 等價A位取代 等價取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二價離子取代Pb2+，結(jié)果使PZT瓷的ε↑，KP ↑，d↑，從而提高PZT瓷的壓電性能。,§ 7-1 壓電陶瓷,45,上述離子取代Pb2+后，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，仍為鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，但出現(xiàn)了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉(zhuǎn)向激活能減小，在人工預極化處理時，有利于90o疇轉(zhuǎn)向與保留，故ε↑，KP ↑, d↑ 。另外，Sr2+取代Pb2+后，Tc↓，也使常溫下的ε↑ 。由于一個取代離子往往影響周圍103個晶胞，因而加入5~10 mol%的添加物就足以影響整個晶體了。過多的添加物往往會向晶界偏析，且會使晶體結(jié)構(gòu)向立方順電相轉(zhuǎn)變。等價取代也包括用Sn4+、Hf4+離子，但效果不顯著，很少使用。,§ 7-1 壓電陶瓷,46,b. 軟性取代改性（高價缺位取代） 所謂“軟”是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC ↓ ，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變“軟”。 軟性取代采用La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb2+離子或Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+離子。經(jīng)取代改性后的PZT瓷性能有如下變化：,§ 7-1 壓電陶瓷,47,矯頑場強EC ↓ ，電滯回線為矩形（瘦高） ε↑，KP ↑，tgδ↑，Qm ↓，抗老化性↑，ρV ↑ 。 原因：應力緩沖效應 高價離子取代，產(chǎn)生Pb缺位，可部分緩沖（應力，形變） 疇壁易運動 EC ↓ Ps ↑ KP Qm ↓ ε↑, tgδ ↑ (由實驗知不可能生成 ，或 ,故只能生成 ),,,,,,,§ 7-1 壓電陶瓷,48,90o疇轉(zhuǎn)向后，使晶軸方向變化，形變方向也發(fā)生變化，因而形成應力。隨時間的推移，90o疇趨于恢復原狀，發(fā)生老化（ε↑、KP↑、Qm↓）加入軟性添加劑后形成 ，可緩沖這種應力，使剩余應力下降，剩余極化強度Ps很快穩(wěn)定下來，因而抗老化性增強。,§ 7-1 壓電陶瓷,49,鉛陶瓷在燒結(jié)時，由于PbO的飽和蒸汽壓高，因而PbO易揮發(fā)。PZT瓷在燒結(jié)時，由于PbO揮發(fā)而形成 。 起受主作用，生成 時伴隨2h?生成，因而使PZT瓷為P型導電。當材料中加入適當高價雜質(zhì)后，作為施主，可提供電子。 這些電子與空穴復合h+e=0，因而使電導率σ↓，電阻率ρv ↑，從而可在更強的電場下預極化，使Pr ↑， K P ↑ 。 一般軟性添加劑的量≤1wt %，過多將改變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。,電荷補償效應,§ 7-1 壓電陶瓷,50,c. 硬性取代改性（低價取代） 硬性取代采用K+，Na+取代A位的Pb2+離子，F(xiàn)e2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Ga3+、In3+、Cr3+ 等離子取代B位的Ti4+，Zr4+離子。 取代后Ec ↑，極化變難，性質(zhì)變“硬”。 作用：Ec ↑ 、ε↓、KP ↓ 、tgσ ↓ 、Qm ↑ （抗老化性↓ ）、ρv ↓,§ 7-1 壓電陶瓷,51,硬性添加劑加入后極化困難，只有在高溫下預極化，但T ↑時ρv ↓ ，這就使預極化場強不能太高，從而Ps ↓這是K P ↓ 的一個原因。 硬性添加劑加入后形成 ，由于 不可能很多，否則將破壞鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（氧八面體共頂點形成骨架），因而硬性添加劑固溶度有限，多余部分向晶界偏析，可抑制晶粒生長，使晶粒細化，材料致密，從而Qm ↑ 。,§ 7-1 壓電陶瓷,52,（d) 軟硬兼施 PZT中加入W(軟)、Mn(硬)可使KP ↑ 、 Qm ↑ 軟硬兼優(yōu)； 加Nb2O5(軟)、Al2O3(硬) 軟硬抵消,,,§ 7-1 壓電陶瓷,53,壓電陶瓷用途很多，不同場合對壓電陶瓷性能要求不同。,⑶ 常用PZT瓷料,§ 7-1 壓電陶瓷,54,,由于一些性能往往是互相克制的，如Qm ↑ ，則KP ↓ ；ε↑則tgδ ↑ ；KP ↑則熱穩(wěn)定性↓，因此選用材料時應全面考慮，適當折中。 P124表5-4則列舉了幾種國內(nèi)比較常見的PZT瓷料的配方和性能。這組材料中KP=0.10~0.40，Qm=500~3600 ，具有比較寬的覆蓋范圍，能滿足一般壓電器件的要求，但這些性能都不是最佳值。1965年以來，人們通過在PZT的基礎上再固溶另一種組分更復雜的復合鈣鈦化合物而形成的三元系壓電瓷以達到更好的性能。,§ 7-1 壓電陶瓷,55,a、所謂三元系壓電陶瓷，是在PZT的基礎上再添加三元-復合鈣鈦礦型物質(zhì)(A,A’)(B,B’)O3 而組成的。在實際大多數(shù)多元系壓電陶瓷中，A位元素仍是鉛，所改變的只是處于八面體中的B位的元素。因此：在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三維八面體網(wǎng)中，在相互固溶的情況下，八面體的中心將有四種或更多電價不一定為4的元素（包括Zr和Ti）統(tǒng)計地均勻分布，改變其元素種類與配料，就可調(diào)整、優(yōu)選出一系列具有特殊性能的壓電陶瓷。P124表5-5及P125表5-6分別為常見三元系壓電陶瓷瓷料組成及“復合金屬離子組合”。,三元系鉛基壓電陶瓷,§ 7-1 壓電陶瓷,56,b. 特性：,§ 7-1 壓電陶瓷,57,,由于第三相的出現(xiàn)，使可供選擇的組成范圍更為寬廣，在PTZ中難以獲得的高參數(shù)或難以兼顧的幾種性能均可以較大程度地滿足。 以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3系為例，三者能完全固溶，且具有三種晶型。富Zr區(qū)為三方鐵電體FR，富Ti區(qū)為四方鐵電體FT，富Nb、Mg區(qū)為假立方鐵電體FPC。隨著Pb(Mg1/3Nb2/3)O3固溶量的增加，在室溫下將出現(xiàn)兩條準同形相界。實驗發(fā)現(xiàn)，當成分在準同形相界附近時都具有特別突出的壓電性能。因此在PTZ系列中只有當Zr：Ti=53：47時的“一個點”附近可供選擇。而在PCM系列中當Zr：Ti=44~54整根準同形相界附近，都具有這種由于相重疊而引起的突出壓電性能，KP、ε特性出現(xiàn)不連續(xù)的成分比。（P125 圖5-15）,§ 7-1 壓電陶瓷,58,§7-1-4 無鉛壓電陶瓷,1. BaTiO3基 2. Bi0.5Na0.5TiO3基 3. 鈮酸鹽系 4. 鉍層狀結(jié)構(gòu),§ 7-1 壓電陶瓷,59,壓電陶瓷具有較大的機電耦合系數(shù)、轉(zhuǎn)換效率高、形狀和尺寸不受限制，工藝簡單，成本低廉。 聲表面波器件對壓電陶瓷的要求： 高致密度、小的氣孔直徑、小晶粒尺寸、高Qm 較大的聲表面波有效機電耦合系數(shù) ε小，以提高聲表面波器件的聲阻抗 表面波聲速的溫度系數(shù)和頻率老化率小 均勻性好、重復性好、成本低廉,§ 7-1 壓電陶瓷,60,§7-2 透明電光陶瓷,1. 什么叫透明陶瓷？ 2. 鐵電陶瓷的電光特性 3. 常用電光陶瓷材料 4. 電光陶瓷工藝與要求,§ 7-2 透明電光陶瓷,61,1. 什么叫透明陶瓷？ 具有多晶結(jié)構(gòu)，但不是多相的陶瓷，并且具有特殊的晶界，有相當高的透明度，故稱為透明陶瓷。（基本無氣相，瓷體密度接近或達到理論值，且經(jīng)過表面研磨，拋光）具有一定的光學性能（粒界為一層極其緊湊的，相當薄的過渡層），介于單晶與多晶之間的材料。 若透明的鐵電陶瓷通過電場作用就可改變其光學性能，稱為透明電光陶瓷。,§ 7-2 透明電光陶瓷,62,2. 鐵電陶瓷的電光特性 光線在介質(zhì)中的傳播速度是與介質(zhì)的ε的平方根成反比。而鐵電體中ε的大小可以通過外電場強度的控制來達到改變－→改變介質(zhì)的折射率。 設外加偏置電場為E0，折射率為n,§ 7-2 透明電光陶瓷,63,由外電場引起晶體折射率的變化，稱為電光效應。 從本質(zhì)上講，透明陶瓷的電疇狀態(tài)決定光學性質(zhì)，而電疇狀態(tài)又受控于電場，所以其光學性質(zhì)是“電控 ”的，存在三種效應：電控雙折射，電控光散射，電控表面形變。,§ 7-2 透明電光陶瓷,64,1) 電控雙折射 細晶陶瓷（≤2μm，電疇尺寸較小，故疇壁對光的散射作用很弱，主要為雙折射效應。,,,,,,o光,e光,·,,§ 7-2 透明電光陶瓷,65,,雙折射現(xiàn)象,當一束自然光穿過方解石等晶體時，分成兩條折射光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。,,,,白紙上涂一個黑點，將方解石放在紙上，可觀察到兩個黑點，旋轉(zhuǎn)方解石，一個黑點不動，另一個黑點旋轉(zhuǎn)。,,這兩條光線都是偏振光。,§ 7-2 透明電光陶瓷,66,外電場改變→Pr改變（Pr方向為光軸，PLZT極化后有統(tǒng)一的光軸）→雙折射的變化→產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。因此，通過控制電場的變化，借助于一定的裝置，可使單色光產(chǎn)生從透過量最大到完全截止（消光）的變化。 可制成電控光閥，電控光譜濾色器。,§ 7-2 透明電光陶瓷,67,2) 電控光散射 粗晶陶瓷（＞2～3μm），電疇尺寸大，疇壁對于橫向（和疇壁切線相交的方向，不一定為疇壁的法向方向）入射光，將產(chǎn)生明顯的散射作用，因而使透過光消偏振，掩蓋了雙折射效應。故外電場改變→電疇取向改變→控制光散射變化→光透過率變化。 可制成電控光閥，圖像儲存和顯示器件。,§ 7-2 透明電光陶瓷,68,3) 電控表面形變 與晶粒大小無關(guān)。 改變外電場→Pr的變化→表面處凹凸形變（電疇的局部反轉(zhuǎn)→結(jié)晶軸向的局部改變）→電控表面形變。 可制成圖像儲存，記憶等器件。,§ 7-2 透明電光陶瓷,69,P131 表5-11 PLZT瓷已達到商品化水平。 鑭（La）在PZT中的固溶限較高，故PLZT可制成系列電光性能不同的透明陶瓷。,3. 常用電光陶瓷材料,§ 7-2 透明電光陶瓷,70,1) 具有很高的致密度，體積密度大于99%理論密度。（氣孔是光散射中心） 2) 化學組成均勻。（否則介電系數(shù)波動過大，導致光波的傳播速度、折射率變化大） 3) 表面具有足夠的光潔度（否則表面反射）。,4. 電光陶瓷工藝與要求,§ 7-2 透明電光陶瓷,71,制備工藝要求： 1) 液相化學共沉法制PLZT（高純、超細、化學計量比準確、化學組成均勻）； 2) 熱壓燒法（通氧熱壓燒結(jié)→高致密度，熱等靜壓燒結(jié)）； 表面研磨→足夠的光潔度。,§ 7-2 透明電光陶瓷,72,