5-压电陶瓷

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Z
Z 极
化
方 向
X
Y
振动方向
条状振子 K31（横向耦机电合系数）
极 化 方 向
振 动 方 向
极
Z
化
方
向
柱状振子 K33（纵向机电耦合系数）
圆片振子
Kp（平面机电耦合系数） Kr（径向机电耦合系数）
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机械品质因素Qm
谐 振 时 振 子 储 存 的 机 械能
反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系
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5.2 压电陶瓷的性能参数
压电系数 沿压电陶瓷的极化方向施加压力时，陶瓷就产生放电现象。
T3
F3 A3
3
q3 A3
3 d33T3
D 3 d33T3
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5.2 压电陶瓷的性能参数
3
A2 A1
D 3 d33T3
A3
石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化
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特性
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
13 石英在高温下相对介电常数 的温度特性
石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械 强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂 贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅 用于标准仪器或要求较高的传感器中。
材料物理
第五章 压电陶瓷
材料科学与工程学院
周焕福
5.1 压电陶瓷的压电效应及应用
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从 而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶 体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始 的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
Qm 2 每 一 谐 振 周 期 振 子 所 消耗 的 机 械 能
➢表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度； ➢Qm全面越高，能量损耗就越小； ➢产生的原因是存在内摩擦。
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频率常数N
➢对特定的陶瓷材料，其压电振子的谐振频率 和振子方向长度的乘积是一常数，称为频率常 数。由材料的性质决定,而与尺寸因素无关。
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压电陶瓷
具有压电效应的材料称为压电材料。 压电材料能实现机—电能量的相互转换。
机械量
压 电 元件
电量
压电效应的可逆性
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在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十 分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
变压器 ➢电声设备：麦克风、扬声器、压电耳机 ➢传感器：压电地震仪 ➢压电驱动器
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5.2 压电陶瓷的性能参数
压电陶瓷的主要参数
作为介电材料，可用介电系数ε，介电损 耗tgδ，绝缘电阻率ρ和抗电强度Eb等表征。
作为压电材料，还有一些参数：
➢ 压电系数d
➢ 机电耦合系数k
➢ 机械品质因素Q
机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换 效率，由于转换不可能完全，总有一部分能量以 热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而K 总是小于1的。
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➢ 不同材料的k值不同；同种材料由于振动方式 不同，k值也不同。
➢ 常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合 系数k33 、以及沿圆片的半径方向振动的平面机 电耦合系数kp（或称径向机电耦合系数kr）。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
（顺压电效应）
正压电效应示意图
（实线代表形变前的情况，虚线
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代表形变后的情况）
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同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，
如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象，就是逆压电效应（电致伸缩效应） 。
N31 fsl1
l1越小，fs越大
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逆压电效应使压电材料产生形变，形变又会产生
电信号，如果压电元件上加上交流信号，当交流电信
号的频率与元件（振子）的固有振动频率fT相等时， 便产生谐振。振动时晶格形变产生内摩擦，而损耗一
部分能量（转换成热能）。为了反映谐振时的这种损
耗程度而引入Qm这个参数，Qm越高，能量的损耗就 越小。Qm 的大小以与相应的谐振方式有关，无特别 说明时表示平面（或径向）振动的机械品质因素。
• 晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。
• 所有铁电单晶都具有压电效应。
• 对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应， 但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，
使ΣP =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极 化处理，使ΣP ≠0，才能对外显示压电效应。
• 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶
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1
对于T1，T2和T3，只有3方向的极化状 态发生变化，只在3方向上产生压电效应。
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机电耦合系数k
➢ 机电耦合系数k
K2
电能转变所得的机械能 输入的电能
或 K2
机械能转变所得电能 输入的机械能
Kp是压电材料进行机械能-电能转换的能力反 映。它与材料的压电系数、ε和弹性常数等有关， 是一个比较综合的参数。
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压电陶瓷
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图（a）表示了天然 结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的 特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于 光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把 沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效 应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 “横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
在滤波器、谐振换能器、压电音叉等谐振子中， 要求高的Qm值。
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5.2 压电陶瓷材料
铁电单晶固然具有较高的压电效应，但单 晶工艺复杂，不易加工成各种形状，因而不易 大量生产，成本也很高。
铁电陶瓷则易加工生产，成本低，且能根 据不同的用途对性能的要求采用掺杂改性。缺 点：存在粒界，气孔及其它缺陷，均匀性及机 械强度不够理想，电损耗较大，妨碍了压电陶 瓷在高频率中的使用。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
2020/3/29 (a)极化处理前
(b)极化处理中 (c)极化处理后
2
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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
4、压电半导体材料
如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵
敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波
20振20/3荡/29器的压电材料，可测取力和温度等参数。
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压电陶瓷的应用
• 应用举例：
➢水声技术：水声换能器 ➢超声技术：超声清洗、超声乳化、超声分散 ➢高电压发生装置：压电点火器、引燃引爆、压电
逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， Ｅ 虚线代表形变后的情况）
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－－－－－－
＋＋＋＋＋＋ 极化 方向
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
电 场 方 向
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由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由 于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化 工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极 化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用） 能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。 此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷 ，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。 所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷 内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释 放或补充的结果。
2020/3/29⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 9
各种压电材料的优缺点
• 压电单晶 优点：Q值较大，有良好的温度特性。 缺点：制程困难。
• 陶瓷压电材料 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
• 高分子压电材料 优点Байду номын сангаас低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)
➢ 频率系数N
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5.2 压电陶瓷的性能参数
➢ 压电系数d ：单位机械应力T所产生的极化强度P
d P / T （C/N）
或：单位电场强度V/x所产生的应变△x/x
d (x / x) /(V / x) x /V
（m/V）
常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33 （脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二 位数字表示机械振动方向）。四方钙钛矿结构有三 个独立的压电系数d31 、d33和 d15 。
由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃， 压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失 去了压电特性，这就是它的居里点。
1.00
0.99
dt / 0.98 d20 0.97
斜率： －0.016％/℃
0.96
t℃
0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
感器中应用最广泛的压电材料。
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（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强 的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看， 不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存 在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴 成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶 极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成 为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、 稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电 陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。
因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不 同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电 效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英 传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片 的切型。
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石英晶体压电模型
(a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
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（1） 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分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它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。
（2） 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）
瓷也应是铁电陶瓷。
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压电材料的种类：
压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。
对压电材料特性要求：
①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机 械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减 弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具 有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。
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它微量
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
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z
o
x
y
x
z z
b
o
o
y
x
cy
a
(a)
(b)
(c)
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
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石英晶体
石英（SiO2）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，如下两图。