压电材料介绍课件
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压电陶瓷ppt课件
利用压电陶瓷的传感特性，可以检测和监测环境中的污染物，为环境保护提供技术支持。
感谢您的观看
THANKS
造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作， 产生交变的机械振动，用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作，产生强烈的机械振动或变形 ，用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料，如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大， 极化程度越高，压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少，性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大，机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数，能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性，可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性，不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性，可以将太阳能转换为电能，提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器，实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景，如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性，制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
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THANKS
造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作， 产生交变的机械振动，用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作，产生强烈的机械振动或变形 ，用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料，如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大， 极化程度越高，压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少，性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大，机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数，能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性，可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性，不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性，可以将太阳能转换为电能，提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器，实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景，如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性，制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
压电材料最终版资料课件
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电
效应的晶体就叫压电晶体。 压电晶体一般指压电 单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
压电陶瓷-高聚物复合材料
• 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。
32
28
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电
效应的晶体就叫压电晶体。 压电晶体一般指压电 单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
压电陶瓷-高聚物复合材料
• 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。
32
28
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
电子材料压电材料
电子材料压电材料一、压电材料定义压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，能够将机械压力转化为电荷信号或者将电场转化为机械运动。
这种材料的压电效应来源于晶格结构的非对称性，当外力作用于压电材料上时，会导致其中的电荷分布不均匀，产生电势差，从而产生电荷信号。
相反，当施加电场时，材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动，这就是逆压电效应。
、压电材料类型1、晶体类压电材料：如石英等，它们具有优异的压电性能，但成本较高。
2、陶瓷类压电材料：如铅酸钡、钛酸钡等，它们是应用最广泛的压电材料之一，具有良好的压电性能和较低的成本。
3、高分子类压电材料：如聚乙烯二醇、聚偏氟乙烯等，这些材料具有良好的柔韧性和可塑性，适用于一些特殊应用场合。
4、单晶类压电材料：如压电单晶铁酸锆、压电单晶铁酸钛等，这些材料具有极高的压电性能，适用于一些高端应用领域。
5、复合类压电材料：如压电陶瓷-高分子复合材料等，这些材料综合了多种材料的优点，具有比较优异的压电性能和机械性能，适用于一些特殊的应用场合。
三、压电材料原理压电材料的原理是基于晶体结构的非对称性，当施加外力或电场时，晶体结构会发生形变，导致其中的正负电荷分布不均，从而产生电势差。
这种现象被称为直接压电效应。
具体来说，压电材料的晶体结构可以被看作是由正负离子交替排列而成的极化晶体。
当施加外力（如压力、挤压、弯曲等）时，晶体结构会发生畸变，导致其中的正负离子分布不均，从而产生电势差。
这个电势差就是压电材料产生的电信号。
逆压电效应与直接压电效应相反，即当施加电场时，压电材料内部的电荷分布也会发生改变，从而引起机械运动。
四、压电材料应用1、传感器：压电材料可以将机械压力转化为电信号，因此常被用作传感器的敏感元件。
例如，压电材料可以用于测量压力、重量、应力、振动等物理量。
2、声波器件：压电材料的逆压电效应可以将电信号转化为机械振动，因此可以制成各种声波器件，如扬声器、麦克风、声波传感器等。
《压电材料》课件
水热法
总结词
水热法制备的压电材料具有较高的取向度和结晶度，但需要高温高压的条件。
详细描述
水热法是一种在高温高压条件下制备压电材料的方法。首先，将原料放入密封的容器中，加入适量的 水，然后通过具有较高的取向度和 结晶度，但需要高温高压的条件，对设备要求较高。
要求较高。
04
压电材料的发展趋势与展望
高性能压电材料的研发
高性能压电材料是当前研究的热 点，旨在提高压电常数、机电耦 合系数和居里点温度等关键性能
参数。
研究方向包括通过元素掺杂、纳 米结构设计、多相复合等手段优 化材料组成和结构，提高压电性
能。
高性能压电材料在超声成像、传 感器、驱动器等领域具有广泛的
压电陶瓷传感器用于检测汽车发动机的燃烧压力和气瓶压力，确保发动机和气瓶的 安全运行。
压电陶瓷传感器还可以用于检测汽车轮胎胎压，提高驾驶安全性和燃油经济性。
压电陶瓷传感器在汽车制动系统中也有应用，用于检测制动盘的振动和温度，确保 制动系统的稳定性和安全性。
压电复合材料在智能结构中的应用
压电复合材料可以用于智能结构 的振动控制和监测，提高结构的
机械耦合系数
描述压电材料在机械能和电能之间转换效率的参数。高的机械耦合系数意味着高 效的能量转换。
温度稳定性
居里温度
某些压电材料在达到居里温度时会失去压电效应。居里温度 的高低是衡量温度稳定性的重要指标。
热膨胀系数
描述材料在温度变化时尺寸变化的参数。低的热膨胀系数有 助于提高温度稳定性。
环境稳定性
利用压电材料的特性，可以制作各种 医疗器械，如超声波探头、心电图机 等。
军事领域
利用压电材料的特性，可以制作各种 军事设备，如声呐、引信等。
《压电材料》课件
《压电材料》PPT课件
压电材料是一种具有压电效应的功能材料，通过施加压力或电场可以使其产 生电荷分离，具有广泛的应用领域。
压电材料的定义和原理
压电材料是一类具有压电效应的物质，当外界施加力或电场时，会引发内部 正负电荷的分离，从而产生电位差。这一原理被广泛应用于压电传感器和压 电致动器。
压电材料的应用领域
压电传感器
压电传感器将物理压力转化为电信号，广泛应用 于测量和控制系统中，如重力加速度传感器和压 力传感器。
压电致动器
压电致动器通过外界电场施加力，使压电材料发 生形变，用于控制和操作系统，如喷墨打印机和 精密定位系统。
压电材料的发展历程和现状
1
发现压电效应
压电效应于1880年被瑞士学者皮埃尔·居里夫妇首次发现，引起了科学界的极大 关注。
缺点 形状复杂度低，脆性较高 工艺复杂度高，成本较高
设备要求高，成本较高
对压电材料未来发展方向进行讨论
1 新材料研究
研究发现并开发新的压 电材料，以提高性能和 拓展应用领域。
2 纳米技术应用
将纳米技术应用于压电 材料制备和调控，以获 得更好的性能和控制能 力。
3 可持续发展
从环境友好和可持续发 展的角度研究和开发压 电材料。
总结压电材料的应用前景及相关领域的 能源、通 信和电子设备等领域具有广 阔的应用前景，可以提供更 高的性能和功能。
挑战
压电材料的制备和性能提升 仍面临技术挑战，包括成本 控制、稳定性和耐久性等方 面。
机遇
随着科学研究和技术进步， 压电材料的机遇将不断增加， 为各行业提供创新的解决方 案。
2
技术应用
压电材料的应用从传感器和致动器扩展到超声波成像、能量收集和生物医学器械 等领域。
压电材料是一种具有压电效应的功能材料，通过施加压力或电场可以使其产 生电荷分离，具有广泛的应用领域。
压电材料的定义和原理
压电材料是一类具有压电效应的物质，当外界施加力或电场时，会引发内部 正负电荷的分离，从而产生电位差。这一原理被广泛应用于压电传感器和压 电致动器。
压电材料的应用领域
压电传感器
压电传感器将物理压力转化为电信号，广泛应用 于测量和控制系统中，如重力加速度传感器和压 力传感器。
压电致动器
压电致动器通过外界电场施加力，使压电材料发 生形变，用于控制和操作系统，如喷墨打印机和 精密定位系统。
压电材料的发展历程和现状
1
发现压电效应
压电效应于1880年被瑞士学者皮埃尔·居里夫妇首次发现，引起了科学界的极大 关注。
缺点 形状复杂度低，脆性较高 工艺复杂度高，成本较高
设备要求高，成本较高
对压电材料未来发展方向进行讨论
1 新材料研究
研究发现并开发新的压 电材料，以提高性能和 拓展应用领域。
2 纳米技术应用
将纳米技术应用于压电 材料制备和调控，以获 得更好的性能和控制能 力。
3 可持续发展
从环境友好和可持续发 展的角度研究和开发压 电材料。
总结压电材料的应用前景及相关领域的 能源、通 信和电子设备等领域具有广 阔的应用前景，可以提供更 高的性能和功能。
挑战
压电材料的制备和性能提升 仍面临技术挑战，包括成本 控制、稳定性和耐久性等方 面。
机遇
随着科学研究和技术进步， 压电材料的机遇将不断增加， 为各行业提供创新的解决方 案。
2
技术应用
压电材料的应用从传感器和致动器扩展到超声波成像、能量收集和生物医学器械 等领域。
压电材料
精选ppt
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三 压电材料的应用
在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
精选ppt
14
三 压电材料的应用
精选ppt
15
三 压电材料的应用
逆压电效应的应用：
压电陶瓷风扇
利用压电陶瓷的逆压电效应可制成小型的压电陶瓷风扇， 具有体积小，不会发热，无嘈声、低功耗、寿命长等优点。图 1是一个压电陶瓷弯曲变形器，它由两片压电陶瓷片夹一金属 薄片构成，陶瓷片在外电场作用下产生伸缩运动。若两片陶瓷 片加反向电压，则一边收缩另一边伸长，使金属片弯曲变形， 若外加交变电压，金属片将作周期性振动 。
后来 PLZT透明压电陶瓷使压电陶瓷的应用扩展到光学 领域。
迄今 压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活 极其广泛。
精选ppt
4
一 认识压电材料
压电材料有哪些： (1) 天然晶体 ：石英 .电气石 (2高分子材料：PVDF（聚偏氟乙烯）
1940年以前 铁电体
精选ppt
3
一 认识压电材料
1942年 在BaTiO3陶瓷上获得了压电陶瓷的电压性。飞 跃。但与两类铁电体相比也有缺点。
50年代 美国日本先后 利用BaTiO3压电陶瓷制作超声 换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器等的应用 研究。
1955美国B.Jaffe 等人更优越的PZT压电陶瓷，促使压 电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
打火机、热水器 报警器、电话 笔迹和声音等身份验证 医用超声仪、声纳 电视机、手机 数码相机、摄像机：
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
精选ppt
8
二 压电效应
5-2 压电材料
用。压电陶瓷主要有以下几种。 ㈠钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1
克分子比例混合后充分研磨成型，经高温 1 300~1 400 ℃ 烧结，然后再经人 工极化处理得到的压电陶瓷。 这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的 50 倍）。不足之处是居里温度低(120 ℃) ，温度稳定性和机械强度不如石英晶 体。
切型，其中第一个字母 Y 表示石英晶片在原始位置（即旋转前的位置）时的 厚度沿 Y轴方向，第二个字母 X 表示石英晶片在原始位置时的长度沿 X 轴方
向，第三个字母 l 和角度 35o 表示石英晶片绕长度逆时针旋转 35o ，如图512所示，又如 (XYtl)50/-500 切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿 X 轴 方向，长度沿 Y 轴方向，先绕厚度 t 逆时针旋转 5o ，再绕长度 l 顺时针
§5-2 压电材料
㈡锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由 PbTiO3 和 PbZrO3 组成的固溶体 Pb(Zr 、Ti)O3。它与钛 酸钡相比，压电系数更大，居里温度在 300 ℃ 以上，各项机电参数受温度影 响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如 铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT 材料。因此锆钛酸铅系 压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
§5-2 压电材料
一、石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温 度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如图5-10和 图5-11所示。
由图可见，在 20 0C～200 0C 温度范围内，温度每升高 1 0C，压电系数 仅减少 0.016 % 。但是当温度达到居里点（573 0C）时，石英晶体便失去了 压电特性。
克分子比例混合后充分研磨成型，经高温 1 300~1 400 ℃ 烧结，然后再经人 工极化处理得到的压电陶瓷。 这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的 50 倍）。不足之处是居里温度低(120 ℃) ，温度稳定性和机械强度不如石英晶 体。
切型，其中第一个字母 Y 表示石英晶片在原始位置（即旋转前的位置）时的 厚度沿 Y轴方向，第二个字母 X 表示石英晶片在原始位置时的长度沿 X 轴方
向，第三个字母 l 和角度 35o 表示石英晶片绕长度逆时针旋转 35o ，如图512所示，又如 (XYtl)50/-500 切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿 X 轴 方向，长度沿 Y 轴方向，先绕厚度 t 逆时针旋转 5o ，再绕长度 l 顺时针
§5-2 压电材料
㈡锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由 PbTiO3 和 PbZrO3 组成的固溶体 Pb(Zr 、Ti)O3。它与钛 酸钡相比，压电系数更大，居里温度在 300 ℃ 以上，各项机电参数受温度影 响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如 铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT 材料。因此锆钛酸铅系 压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
§5-2 压电材料
一、石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温 度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如图5-10和 图5-11所示。
由图可见，在 20 0C～200 0C 温度范围内，温度每升高 1 0C，压电系数 仅减少 0.016 % 。但是当温度达到居里点（573 0C）时，石英晶体便失去了 压电特性。
《压电材料》PPT课件
• 4. Cellular response to electrical
• stimulation
• 5. Piezoelectric materials in tissue
• regeneration applications
• 6. Conclusion
h
5
1. Introduction
Piezoelectric materials are smart materials that can generate electrical activity in response to minute deformations. First discovered by Pierre and Jacques Curie in 1880, deformation results in the asymmetric shift of ions or charges in piezoelectric materials, which induces a change in the electric polarization, and thus electricity is generated.
1、压电现象
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。压电现象主 要发现在晶体分子排列不对称的材料上。
2、压电效应
如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效 应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压 力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电 陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的 超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆 转换的功能。
The piezoelectricity of such tissues is attributed to the
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PCMP
人工材料
人造晶体 正磷酸镓 Gallium orthophosphate (GaPO4) 硅酸锰锑铁矿Langasite (La3Ga5SiO14) 人造陶瓷 钛酸钡 Barium titanate (BaTiO3) 钛酸铅 Lead titanate (PbTiO3) 锆钛酸铅 Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1−x]O3) 铌酸锂 Lithium niobate (LiNbO3) 钽酸锂 Lithium tantalate (LiTaO3) 钨酸钠 Sodium tungstate (Na2WO3)
极化电场、极化时间和极化温度三者必须综合考虑，它们之间 互有影响，应通过实验最终确定最佳极化工艺参数。
PCMP
4.2 压电陶瓷的极化工艺
（4）极化程度对性能的影响 压电陶瓷材料必须经过极化之后才具有 压电性能。 极化就是在直流电场的作用下使铁电畴 沿电场方向取向。 同一配方，如极化条件不同，极化进行 的程度不同，材料的性能指标可以相差很 大。一般随着极化程度的提高，d33、Kp增 加。介电损耗随着极化程度的提高而降低。 Qm随极化程度的提高而升高。
功能材料
——压电材料
PCMP
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
PCMP
压电材料
1. 2. 3. 4. 5. 6. 基本概念（什么是压电材料？） 压电材料分类 相关压电参数 压电陶瓷工艺 压电材料实例 压电材料应用
PCMP
压电效应
1. 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而 使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时， 电荷极性也随着改变。 2. 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这 些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去 时，这些变形或应力也随之消失的现象。
PCMP
3.2 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
通过逆压电效应转换所得的机械能 K = 转换时输入的总电能
2
通过正压电效应转换所得的电能 K = 转换时输入的总机械能
2
压电陶瓷振子（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。
PCMP
三：压电材料重要参数
3.1 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：
D3 = d 33T3
d33单位是多少？
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。
Qm = 2π 谐振时振子储存的机械能 每一谐振周期振子所消耗的机械能
f a2 Qm = 2πf r R (C0 + C1 )( f a2 − f r2 )
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 PCMP
+ P1
+ (b )
X
－ － －
+ +
Y
-
+
(a )
(c) FX<0
当晶体受到沿X方向的压力 （FX<0）作用时 PCMP
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
晶体学特征
32种点群中的21种具有非对称中心的点群具有压电效应。 Piezoelectric Crystal Classes: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m Pyroelectric: 1, 2, m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3m, 6, 6 mm
PCMP
PCMP
4.1 陶瓷体制备工艺
（3）烧成条件对性能的影响
1. 温度和时间（对晶粒的影响？）； 2. 组成对烧结的影响； 3. 添加剂对烧结的影响： “软性”添加剂可以促进烧结；“硬性”添加剂使烧 结不易进行；晶格畸变对烧结有利；液相烧结 可以促进烧结
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4.2 压电陶瓷的极化工艺
畴的反转:在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴 铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转。 矫顽电场强度（矫顽场,Ec）:使剩余极化强度降为零时的电场值称为Ec。
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一：基本概念
什么是压电效应？
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。
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一：基本概念
具有压电效应，是由其内部结构决定的，例如：组成石英晶体的硅离子Si4+和 氧离子O2-在 Z 平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图 (b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。 Y X + Y + FX － + P3 P2 + + FX X
D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
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四：压电陶瓷工艺
4.1 陶瓷体制备工艺
称量
混料
煅烧
化学反应阶段
烧结
成瓷阶段
被银
极化
检测
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4.1 陶瓷体制备工艺
（1）原料对性能的影响 原料的纯度和所处的状态对压电陶瓷 材料的性能有极大的影响。同一配方，使 用不同出处的原料可能得到不同性能的陶 瓷，因此根据杂质对性能的影响，一般来 说，配料中用量大的原料，要求纯度高 些，要求达98%以上。而用量很小的添加 剂，即使纯度低些也不致引入较多的杂质。
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一：基本概念
发展历史：
1880年：居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。 1917年：首次实际应用：第一次世界大战期间，法国 Paul Langevin等研究着研制ultrasonic submarine （？） detector。 第二次世界大战期间，United States, Russia, and Japan等国家的独立课题组发现人造压电材料（称为铁 电体Ferroelectric），如：钛酸钡（barium titanate），是压电材料发展的一个飞跃。 PZT（lead zirconate titanate）具有非常强和稳定的压电效应， 具有重大实际意义。
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一：基本概念
历史：
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 求就越来越高，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。 2001年，PennSate Univ.发现高温压电材料 PbTiO3-BiScO3
3.4 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 的乘积为一个常数，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 薄板厚度伸缩振动 细长棒K33振动 薄板切变K15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
正压电效应(pC/N)
电能
逆压电效应(pm/V)
机械能
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压电陶瓷工作原理
• 正压电效应 • 逆压电效应
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图（实线代表形变前的情况 ，虚线代表形变后的情况）
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 电场方向
Ｅ
极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
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4.3 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，薄片是 均匀的圆形。 Kp测量：
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，Kp≌2.55Δf/fs
变化过程：
A→B→C→B→D→F →G→B
D
Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽场
B C A F E G
极化时应处于哪个阶段？
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4.2 压电陶瓷的极化工艺
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a)极化处理前
1. 2. 3. 4.
剩余伸长 (b)极化处理中
铁电畴反转与生长 铁电畴定向 陶瓷应变伸长 产生压电效应
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2
极化时间
外加电场后，极化初期主要是陶瓷内部180°电畴 的反转，之后是90°电畴的转向，而90°电畴的转向会 由于内应力的阻碍而较难进行，因此适当延长极化时 间，电畴取向排列的程度高，极化效果好。一般极化时 间为10min～50min。 3 极化温度(?) 在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电 畴取向排列容易，极化效果好。 温度过高，陶瓷的电阻率越小，耐压强度降低，由 于高电场作用导致陶瓷体击穿，损坏压电陶瓷。常用压 电陶瓷材料的极化温度一般为50℃～150℃。