压电功能材料

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1、第六章压电材料与应用第六章压电陶瓷材料及应用一、概述在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二氢钾盐，具有压电性。在1940年后，发现了BaTiO3是一种铁电体，具有强的压电效应。是压电材料发展的一个飞跃。在1950年后，发现了压电PZT体系，具有非常强和稳定的压电效应，具有重大实际意义的进展。在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越

2、来越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。第六章压电陶瓷材料及应用二、压电效应压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所以其内部电场为零。但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效应。压电陶瓷piezoelectricceramics压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料。力→形变→电压正压电效应电压→

3、形变逆压电效应晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。三、压电性能1、压电常数d33压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的

4、垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。第六章压电陶瓷材料它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij、gij、eij、hij。2、机电耦合系数Kp机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：或压电陶瓷振

5、子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。第六章压电陶瓷材料及应用它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映。它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数等参数有关，是一个比较综合性的参数。其值总是小于1。KpK33KtK15K313、机械品质因数Qm压电陶瓷在振

6、动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数Qm的定义式是：其中：fr为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）C0为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容4、频率常数N对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘机为一个常数，即频率常数。N=fr×l其中：fr为压电振子的谐振频率；l为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动Np=fr×D薄板厚度伸缩振动Nt=fr×t细长棒

7、K33振动N33=fr×l薄板切变K15振动N15=fr×ltD为圆片的直径t为薄板的厚度l为棒的长度lt为薄板的厚度第六章压电陶瓷材料四、压电陶瓷材料主要参数的确定材料参数Kp、Qm、d33、ε33和tgδ的确定需采用薄圆片的径向振动模式，要求薄圆片的直径比厚度大得多，其比值大于10。极化方向与厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直，片子是均匀的正圆形。如果薄圆片的Δf值较小时，可用下式直接计算：当σ=0.27时，Kp2≌2.51Δf/fs当σ=0.30时，Kp2≌2.53Δf/fs当σ=0.36时

8、，Kp≌2.55Δf/fs第六章压电陶瓷Qm=1/4ΠR1CΔf×1012ε33=4Ctlt/ΠΦCt是薄圆片的低频电容(法拉),可在1KC频率下由电容电桥测出,lt为薄圆片的厚度(米),Φ为薄圆片的直径(米),ε33为自由介电常数(法拉/米)。tgδ用电容电桥或万用电桥等测出。d33用准静态测试仪测定。五、压电陶瓷的极化工艺极化工艺是指在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。只有经过极化工艺处理的陶瓷，才能够显示压电效应。1极化电场极化电场是极化工艺中最主