ch52 压电材料参数的测量.ppt

《ch52 压电材料参数的测量.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、§5-2压电材料参数的测量压电性质压电材料(piezoelectricmaterial)受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。居里兄弟和压电效应1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。这类材料被广泛运用，举一个很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性2正压电效应对压电材料在一定方向上施加机械力使

2、它变形时，就引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比。当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应（directpiezoelectriceffect），或简称压电效应。d——压电常数矩阵3逆压电效应对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比。这种现象称为逆压电效应(conversepiezoele

3、ctriceffect)，或称电致伸缩。dt——压电常数矩阵4晶体为压电体必须具备三个基本条件其一，必须是电介质；其二，必须无对称中心；其三，内部必须有正、负电荷中心。基于此，人们预计晶体的三十二点群中有二十一种点群的晶体可能具有压电性。目前，已在除432点群外的其余二十种无对称中心的点群晶体中发现了压电性。5热释电性质电介质材料因温度均匀变化而引起自发极化强度改变的物理现象称为热释电现象。具有热释电性质的晶体称为热释电晶体。其一是结构上无对称中心其二是具有自发极化。晶体具有热释电性质必须具备两个基本条件热释电晶体是压电晶体的一个亚类。即

4、：热释电体必定是压电体，但压电体未必是热释电体。6铁电性质晶体在一定温度范围内存在自发极化、且自发极化方向可随外电场反向而反向的物理现象称为晶体的铁电性。具有铁电性的晶体称为铁电体其一必定是热释电体；其二是自发极化方向能随外电场反向而反向。晶体具有铁电性必须具备两个基本条件7二.压电材料压电晶体：1）石英晶体(SiO2)；2）其他压电单晶。压电陶瓷：1）一元系压电陶瓷；2）二元系压电陶瓷；3）三元系压电陶瓷；4）四元系压电陶瓷。新型压电材料：1）压电半导体；2）有机高分子压电材料。锆钛酸铅PbTiO3-PbZrO3(PZT)1965年问世

5、的PCM，它由锆酸铅PbZrO3-钛酸铅PbTiO3-铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3三成分配比而成。钛酸铅(PbTiO3)系压电磁；锆酸铅(PbZrO3)系压电瓷8压电晶体（石英晶体，SiO2）石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石英。其外形如图所示，呈六角棱柱体。天然石英晶体人工石英晶体右旋石英晶体理想外形压电石英的主要性能特点是：(1)压电常数小，时间和温度稳定性极好；(2)机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；(3)居里点573℃，无热释

6、电性，且绝缘性、重复性均好。9压电陶瓷(BaTiO3)压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表

7、面的自由电荷过剩。10压电陶瓷的极化过程压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶电介质。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列。极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。11压电陶瓷预极化的影响因素极化电场是极化诸条件中的主要因素。极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。在极化电场和时间一定的条

8、件下，极化温度高，电畴取向排列较易，极化效果好。常用压电陶瓷材料的极化温度通常取320-420K。极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。极化初期主要是180°电畴的反转，以后的变化是