壓電特性

壓電效應一般可分為兩種效應如圖 2.8，正壓電效應與逆壓電效應：

(1) 正壓電效應: 當壓電材料接受到機械力時，材料內部晶格會產生形 變，但由於晶群沒有對稱中心，正負電荷間距離產生改變，導致極化電 場増強或減少，此時電極兩端會產生一個與應力大小成比例的電荷或電 壓，應力方向與極化方向相同時，將會產生一個與之反向的電壓差，應 力與極化方向相反時，也產生相同的電壓差。而晶體外將會因為極化電

機械能轉換成電能的現象稱為壓電效應。這代表著施以應力可以轉換成 電能而任何有這種特性的物質稱為壓電材料。

(2) 逆壓電效應: 當電場施加於壓電材料電極兩端時，使兩端之電荷增 加，晶體中的正負離子產生了分離，使偶極矩的長度改變而晶體尺寸會 隨著電場大小而發生扭曲或變形，若是與極化方向相反的電場，壓電晶 體會在極化方向縮短變形，反之施加在極化方向相同的電場，使得極化 電場增強時，壓電晶體會朝極化方向伸長變形此種將電能轉換成機械能 的現象稱之為逆壓電效應。

圖2.8 正壓電效應與逆壓電效應

這些現象也表示了機械力、尺寸與電荷、電壓之間的轉換。具有了這 種機電轉換性質的材料則被稱為壓電材料。其本身質輕、體積小、轉換 效率高、傳換速度快、精密度高、耗電量少、發熱少且不會產生電磁波 干擾等優點外，也因為壓電材料之致動器是固體的變位元件、無須運動 之組件，所以能夠提高控制系統之精密度與解析能力。

2.5.1 極化機制

(2)離子極化 (ionic polarization)：離子晶體因受到外加電場的影響而使

陰、陽離子，會改變離子間距或鍵結角度而產生電荷分離，因此造成偶 極矩之產生。

(3)方向極化(Orientation polarization)：也就是自發極化，極化分子因電 場而使偶極矩會順著電場之方向而規則排列，而產生具有永久偶極矩的 分子或不對稱之結構，在最後去除電場後仍會順著平行電場的方向排列 產生極化。也就是說如果施加的電場夠大，再將電場移除之後可能會有 殘留極化。

(4)空間電荷極化(space charge polarization)：當兩種或兩種以上的物質在 一起時，由於彼此之間導電性的不同，受到能障所阻擋，在界面處會減 速或囤積而造成電容質增加之效應。

表2.3 四種極化機制對不同頻率之反應

圖2-9 四種極化機制對不同頻率之反應

圖 2.9，此四種極化機制對頻率有不同之反應，也就是不同極化機制 有具有不同截止頻率。(1)電子極化約在 10¹⁴~10¹⁶ Hz (2)離子極化約在 10⁹~10¹⁴ Hz (3)方向極化約在 10⁶ Hz (4)空間電荷極化約在 10³ Hz左右。

而材料之極化率為四種極化機制的總和。在上述的極化方式之中，空間 電荷極化時所需花最長的時間，因其電荷移動距離較長，其他則是依造 著方向極化、離子極化、電子極化的順序而越來越快，因此當外加交流 電場時，隨著頻率越來越高，空間電荷極化會最先消失，因其電荷移動 跟不上電場方向的轉變，接著依序消失的。

當頻率為 1kHz 時，極化機制可能包含空間電荷極化、方向極化、離 子極化、電子極化四種。當頻率為1MHz 時，極化機制可能包含方向極 化、離子極化、電子極化三種。

鐵電性質材料的性質與其晶體結構關係密切，尤其是單位晶格的對稱

外加伏特下。

而影響材料介電性質的因素有組成、微觀結構、電場頻率與溫度。

2.6.2 電機耦合因素

機電耦合因素(electromechanical coupling factor, k)-此數值能反映出壓 電材料在共振時機械能與電能之間的能量轉換比。此 k 值定義為所變換 能量與總輸入能量之比的平方根，即如下式所示：

=

因 k 值為電能轉換成機械能之效率指標，而其之大小與振動模式有 關，不同的振動模式有不同的計算公式，不同之壓電材料其振動頻率亦 有所不同，而本實驗的陶瓷試片為錠狀，因此主要分析參數以徑向振動 模式之機電耦合因數(kp)以及厚度振動模式之機電耦合因數(kt)為主，而 kp以及 kt可由共振與反共振頻率計算而得：

一般機電耦合因數的大小需視元件的要求而定，不過一般都希望機電

耦合因數要高。

差且晶粒之成長不均勻，所以一般傳統之陶瓷材料之燒結方法則是以固

形，再施以一低於熔點的適當溫度來燒結所需之壓電陶瓷，而在燒結過

密度到達極限時將獲得難以提升

只有少數晶粒突發性地、迅速地使晶粒之間的尺寸差別越來越大。這種

(3) 作為壓力傳播之介質。

(4) 促進原子及分子之擴散與重新排列。

(5) 促進再結晶之形成。

水熱合成法之粉末只要是一種溶解-析出反應，其反應過程包含了水 解與脫水反應，以碳酸鹽為例:

其中 M 為金屬離子。陶瓷粉末過去多以固態法製備，其反應為固相 粉末之間的擴散，因此固相反應通常需要在較高溫下來進行，以高溫的 熱能作為提供反應進行的驅動力。但高溫反應常常造成反應出之粉末顆 粒晶粒成長，在需要大比表面積反應的實驗中，顆粒大會降低反應速 度；此外因為是在開放空間中來進行高溫反應，所以也會使反應物氣化 揮發，使得生成物偏離原本之劑量比，造成雜相的二次相生成而使分析 更加困難。

水熱法則是利用密閉反應容器內高溫、高壓之條件，提高溶液對固體 物質的溶解度，進而再反應成核成長析出粉末，由於利用高壓罐進行反 應，皆在密閉空間中進行反應，所以揮發情形可以避免，利用密閉高壓

加速反應進行，也可有效降低固態反應所需之溫度，同時水熱法是利用 溶解-析出，故所生成之陶瓷粉末顆粒可較固態法生成時來的小。在需要 大比表面積的條件來進行實驗時可利用水熱法並配合控制反應時間，來 得到所需之粉末。

使用水熱法生成之陶瓷粉末可以避免固態反應時所造成的問題，由於 傳統固態反應法在粉體的製程因素上較難以控制，而水熱法具有設備簡 單、製成簡單、操作條件容易、可在低溫下合成多元之氧化物、以水作 為溶劑、成本低等優點，而水熱法的已知的製程在180℃~220℃的相對 較低的溫度，以產生良好的結晶化，均勻和細顆粒，在水熱後在進行鍛 燒，並且獲得的粉末可以燒結在1050℃至 1150℃可大大的降低燒結時 所需之溫度，而且不僅能最大限度地減少KNN 中的鉀和鈉的蒸發所導 致難以保持組分合適的化學計量比，還可以有助於最終陶瓷製品的顆粒 的濃度的增加且均勻。

但水熱法的缺點，是它需要長的合成時間，由於其低生產率難以工業 化。

表2.4 水熱法與傳統燒結方法之差異

第三章 實驗方法及製程

3.1 起始原料與粉末備製

本實驗將原料K₂CO₃、Nb₂O₅、BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂粉末分別按照(1-x) KNN-x KBT陶瓷組成比例進行稱重混合成後。其中x=0.05, 0.1, 0.15 及 0.2 。並將粉末進行球磨，並使用蒸餾水當混合促進劑，球磨一個小時 許粉末作X-ray繞射以分析此時所形成之(1-x) KNN-x KBT陶瓷粉末鍛燒 的晶相結構，主要是用來判定鍛燒是否足夠讓(1-x) KNN-x KBT陶瓷粉 末形成ABO₃相。

3.2.2 水熱法

:

水熱法:將配置好的粉末置於研磨機中研磨 30~60 分鐘，研磨好之粉末 放入鐵氟龍容器中並放入可程式高溫爐中進行持溫4 小時 200℃的水熱

製程，在水熱製程完之後，將(1-x) KNN-x KBT溶液倒出，並置入烘箱 中48 小時烘乾，烘乾後將(1-x) KNN-x KBT陶粉末放入瑪瑙缽中進行 1 小時的研磨，以確保粉末的均勻度，之後再將粉末放入氧化鋁坩堝中，

再次放入可程式高溫爐中進行使用800℃溫度對陶瓷粉末進行鍛燒 2 個 小時以10℃/min之速率升溫的鍛燒製程。再將鍛燒完之粉末經過一小時 之搗磨，並取少許粉末作X-ray繞射以分析此時所形成之(1-x) KNN-x KBT陶瓷粉末鍛燒的晶相結構，主要是用來判定鍛燒是否足夠讓(1-x)

粉末備製

K₂CO₃、Nb₂O₅、BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂及

3.5 材料之特性分析

結構與緻密度，成像方式為二次電子顯像(Secondary electron images, SEI)，經由二次電子的偵測可以觀察到試樣表面的晶粒大小及孔隙。因 為(1-x) KNN-x KBT 陶瓷為不良導體，事先需在試片表面鍍金。將燒結

好之試片在表面上鍍金以便以電子顯微鏡(SEM)觀察其顯微結構及緻密 度。電子顯微鏡觀察也可用來判定上述兩種不同的(1-x) KNN-x KBT 陶 瓷製造方式那一個效果較佳，陶瓷晶粒成長較優良。並且使用能量散佈 光譜儀(Energy dispersive spectrometer,EDS)來確認是否有偏離而成份比 產生而產生之二次相。

相對介電常數(Relative dielectric constant)對電子材料來說是相當基本 的物理量，因為它們會直接影響材料的電特性。(1-x) KNN-x KBT陶瓷 之相對介電常數可由平行板電容器公式介電常數ε_r 代表儲存電荷的能 力，因材料所產生之偶及會捕捉電容器電極上的電荷，因此極化程度越

高，表面累積之電荷也就越多，介電常數也越高，以一平行板電容為例，

若在平板面積為A，兩平板距離為d 時，其中充滿了介電常數為ε_r 的物 質，則電容值C，可得下列關係：

3.6.3 介電損失

介電損失對電容元件而言，是一個很重要的參數，因為它直接影響到(1-x) KNN-x KBT 陶瓷雜訊的大小與儲能時間的長短。所以要作為一個良好 的儲能電容元件，其介電損失一定要很小。

3.6.4 機電耦合係數

機電耦合係數此係數反應出壓電材料之機械能與電能之間，能量轉換 比。此k 值定義為所變換能量與總輸入能量之比的平方根，即如下式所 示：

=

因k值之大小與振動模式有關，不同的振動模式有不同的計算公式，不 同之壓電材料其振動頻率亦有所不同(表 3-1 所示)，而本實驗的陶瓷試 片為錠狀(disk)，因此主要分析參數以徑向振動模式之機電耦合係數(k_p )

以及厚度振動模式之機電耦合係數(k_t)為主，而k_p以及k_t可由共振與反共 振頻率(如下式)計算而得：

機電耦合係數的大小端視元件要求而定，不過一般而言一般而言k值越

機電耦合係數的大小端視元件要求而定，不過一般而言一般而言k值越

在文檔中 利用兩種不同製程反應法製作(1-x) KNN-x KBT鐵電陶瓷塊材 (頁 37-0)