压电陶瓷基本知识

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压电陶瓷剖析(36页)

超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。
(5)超声加工
<.把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具相同的形状。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而达到去除材料的目的。
其它非线性元件，压电继电器等
压电陶0 瓷应用（一）
电蜂鸣SS
•超声波振子
压电陶瓷应用（二）
5压黾超声换能器的面用写发展
5,1引言
< 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件，
<• 最早的超声换能器是P.郎之万(P. Langevin)在1917年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。 <• 1933年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、
与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐髙温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产，在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。
(2)超声马达
<•超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。
产生的电荷与施加的应力成比例。 ♦压电陶瓷的压电常数有压电应变常数、压电电压常数、压电应
力常数以及压电劲度常数等。 ____
♦反映压电陶瓷的弹性变量(即应力、应变)和电学变量 (即电场、电位移)之间的关系的方程式，称为压电方程。

简述压电陶瓷

简述压电陶瓷压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。

与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。

它具有压电效应。

所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。

前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。

目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。

由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。

一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。

如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。

此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。

由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。

压电陶瓷

经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC 减小↓，机械品质因数Qm减小↓；介电常数ε增加↑，介电损耗tanδ 增加↑,机电耦合系数KP增加↑, 抗老化性增加↑ ，绝缘电阻率ρ增加↑。
铅基压电陶瓷
• 硬性取代改性（低价取代）所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加↑，极化变难，因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色) （a） K+，Na+等取代A位Pb2+离子；（b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、 Cr3+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子。
• 1947年，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、滤波器等应用研究。
• 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的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。
压电原理
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。
工作温区窄（Tc=120℃）工作温区宽（Tc=490℃）
易极化
难极化
热稳定性差
热稳定性好
ε=1900
ε=190
Kp =0.354 d33=191(10-12C/N) g33=11.4(10-3V·m/N)
工艺性好
Kp =0.095 d33=56(10-12C/N) g33=33(10-3V·m/N)
表征参数
频率系数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。
其中：
N=f0L

《压电陶瓷》课件

等。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按照配方准确称量，确保原材料的质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合，确保各种原材料均匀分布，以提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原料进行预烧结，以促进原料的初步反应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作出各种压力、加速度、振动等物理量的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制作出各种微小位移、微小角度的驱动器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直接模式和逆模式。直接模式是指陶瓷在受到压力时产生电压，逆模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应用场景，如直接模式适用于传感器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器等领域，如超声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需要数千至上万伏的电压。

完整版压电陶瓷片的原理及特性

完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。

压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。

这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。

压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。

它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。

这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。

2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。

这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。

3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。

因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。

4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。

它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。

5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。

这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。

6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。

7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。

可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。

总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。

这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。

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压电陶瓷的生产工艺
1
制备成型
2
将混合粉末通过成型工艺进行成型，如
注塑成型或压片成型。
3
后续处理
4
进行。
原料准备
选择合适的原料，并进行粉末混合和筛分。
烧结处理
将成型的陶瓷坯体进行高温烧结处理，使其达到高强度和致密度。
压电陶瓷的维护保养
1 避免过大的外力冲击 2 定期清洁和检查
避免陶瓷受到过大的外力冲击，导致晶体结构破坏。
定期清洁表面和检查陶瓷的完整性和工作状态，及时进行维修和更换。
3 保持适当的工作环境
保持陶瓷的工作环境适当，避免受到湿气、油脂和化学物质等的影响。
压电陶瓷的种类
铅锆酸钛陶瓷 (PZT)
PZT 是最常用的压电陶瓷材料，具有良好的压电性能和稳定性。
硬陶瓷
硬陶瓷具有优异的耐高温性能和磨损性能，常用于特殊环境下的应用。
有机压电陶瓷
有机压电陶瓷材料是一种新型的压电材料，具有较高的柔韧性和成型性，适用于特殊工艺需求。
压电陶瓷的应用领域
传感器
压电陶瓷可以用于制造压力、温度和加速度传感器，广泛应用于汽车、医疗和工业领域。
压电陶瓷基本知识培训材料
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，能够在施加或撤离电场时发生形变，反之亦然。它可以将机械能转化为电能，也可将电能转化为机械能。
压电效应的原理
压电效应的原理是基于压电材料的晶体结构，当施加外力或电场时，晶体中的正负离子发生位移，导致晶体整体产生形变和电荷分布的变化。
换能器
压电陶瓷可用作声波和超声波的发生器和接收器，应用于声纳、超声波清洗和医学成像等领域。
振荡器

压电陶瓷基本知识概要

➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。

压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
(2)杂质的利用
1)杂质的类型 ①有害杂质对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别
是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。 ②有利杂质与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时，其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。

压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介质损耗tanδ
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 ° ，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于90 °，它的余角δ (δ+ψ=90 °)称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即：电学品质因数Qe（electrical quality factor）

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压电陶瓷基本知识
压电陶瓷的基本知识
发展历史压电陶瓷的基本概念
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的制作工艺
压电陶瓷的应用
市场发展前景与方向

压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。

整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是无规则的。这样的结构称其为多晶体。
各种规格的压电陶瓷片晶粒的晶格取向示意图
发展历史
1880
居里兄弟首先发现电气石的压电效
应，从此开始了压电学的历史。

1881
居里兄弟实验验证了逆压电效应，
给出石英相同的正逆压电常数。
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）；
N33=fr×l N15=fr×lt
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度
压电陶瓷的制造工艺
压电陶瓷的制作过程主要步骤配料
预处理
预烧
造粒
成型烧成

测
试
老化
极化
上电极
机加工
压电陶瓷的制造工艺配料（原料的选择和处理）
3、铁电陶瓷
某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷.

特种陶瓷第五讲压电陶瓷

压电陶瓷应用
压电探鱼仪：探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的声纳设备。其声波发射部分和接收部分用压电陶瓷制成。压电陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动，从而向水中发射声波。声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来，压电陶瓷接收部分收到回波后，即将它变换成电信号，经过电路处理就会显示出鱼群的规模、种类、密集程度、方位和距离等，便于捕捞作业。压电探鱼仪其发射功率已达到兆瓦级。用压电陶瓷制成的接收部分有很高的灵敏度，根据回波的强弱可以判断是海底、礁石，还是鱼群，甚至可以判断鱼群的种类、大小和分布情况。
压电陶瓷应用
压电超声医疗仪中应用最广的是 B 型超声诊断仪。这种诊断仪中有用压电陶瓷制成的超声波发生探头，它发出的超声波在人体内传输，体内各种不同组织对超声波有不同的反射和透射作用。反射回来的超声波经压电陶瓷接收器转换成电信号，并显示在屏幕上，据此可看出各内脏的位臵、大小及有无病变等。 B 型超声诊断仪通常用来检查内脏病变组织 ( 如肿块等)。
压电陶瓷应用

积层式压电变压器：用于笔记本电脑液晶显示器、桌上型电脑液晶显示器、个人数码助理 (PDA)、数码相机(DSC)、数码摄影机(DSC)之冷阴极管电源模组等。
压电超声马达

世界上最小的马达（电机）：重36mg，长5mm，直径 1mm，可作为人造心脏的驱动器。原理：当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子表面就会产生超声振动。由于定子和转子之间的摩擦力的作用，转子也会跟着运动起来。优点：结构简单、启动快、体积小、无电磁干扰。
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：

压电陶瓷简介介绍

02
压电陶瓷具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性等优点，因此在
声纳、医学成像、雷达、电子乐器等领域得到广泛应用。
压电陶瓷在军事、航空航天、环境监测等领域也有着不可替代
03
的作用。
目前存在的问题及解决方案
01
02
03
压电陶瓷的机电转换效率较低，且在高温、高湿等恶劣环境下性能不稳定，影响了其应用范
围。
压电陶瓷的主要类型
根据材料组成和晶体结构，压电陶瓷主要分为以下几类
1. 钙钛矿结构压电陶瓷：如钛酸钡（BaTiO3）和锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
2. 钨青铜结构压电陶瓷：如铌镁酸铅（Pb（ Mg1/3,Nb2/3）O3）和铅锌酸铅（Pb（Zn1/3,Nb2/3 ）O3）等。
3. 铋层状结构压电陶瓷：如铋镁酸铅（Pb（ Bi1/2,Mg1/2）O3）和铋锌酸铅（Pb（Bi1/2,Zn1/2） O3）等。
表面涂层
通过涂层技术对压电陶瓷表面进行改性处理，以提高其耐腐蚀性和机械强度等性能。
04
压电陶瓷的性能参数及测试方法
压电陶瓷的性能参数及测试方法
• 压电陶瓷是一类具有压电效应的功能陶瓷材料。压电陶瓷的特性在于其能够将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能。这种材料在制造传感器、换能器、发电机等方面具有广泛的应用。
广泛应用于清洗精密零件、光学元件、电子元件等。
超声波探伤
压电陶瓷作为换能器，将电能转换为超声波，通过检测反射回来的超声波判断物体内部的缺陷。
可用于检测金属、非金属等材料内部缺陷。
检测结果受物体表面状态、材料性质、缺陷类型等多种因素影响。
医学诊断
压电陶瓷制成的超声波探头，可用于医学诊断，如B超、彩超等

6.3 压电陶瓷资料

目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、
测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得了很多成就。
本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。
5.2 压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类很多：
（5）上电极烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。
（6）极化
(3)超声波清洗超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反应，达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用 10~500 kHz ，一般多为 20~50kHz 。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。
压电陶瓷的结构
大多数压电陶瓷的结构为ABO3，为钙钛矿结构。
压电陶瓷结构
在居里点以上，钙钛矿结构为有对称中心的立方晶系，钛离子处于氧八面体中心，中间孔隙大于钛离子的体积，钛离子可以偏离中心位置，但几率相同，不显示极性，在居里点以下，晶型转变为四方晶系，C轴拉长或变短，钛离子偏离中心，形成正负电荷中心不重合，晶胞产生极化，称为极化，晶体内出现的自发极化方向一致的小区域叫做电畴。相临个电畴之间的相交角只能是180或90度。电畴相交的界面叫做畴壁。

压电陶瓷

六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。
七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。
应用
主要用途
常见运用
1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音频电信号转换为声音信号。
压电陶瓷
具有压电特性的电子陶瓷材料
01 基本释义
03 物质组成
目录
02 发展历史 04 特性
05 原理
07 应用
目录
06 制造工艺
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应，压电陶瓷除具有压电性外，还具有介电性、弹性等，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力。
其中u12为压电能，u1为弹性能，u2为介电能。
经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷,所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性
压电陶瓷片是一种具有压电效应的陶瓷材料，其原理基于压电效应的物理特性。

压电效应是指在某些材料中，当这些材料受到力或压力作用时，会产生电荷分离，从而产生电势差。

具体来说，压电陶瓷片由许多微小的、高度有序排列的、带电荷的晶体单元组成。

在正常情况下，这些电荷平衡分布，不存在净电荷。

当外力或压力作用于压电陶瓷片上时，晶体单元会被压缩或拉伸，导致电荷的不平衡。

这种不平衡的电荷分布产生了一个电势差，即压电效应。

压电陶瓷片具有以下特性：
1. 压电效应：压电陶瓷片可以将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。

当外力施加到陶瓷片上时，它会产生电势差，可以用作传感器或驱动器件。

2. 快速响应：压电陶瓷片的响应速度很快，可以在微秒级别做出响应。

这使得它在一些需要快速反应的应用中非常有用。

3. 宽频响范围：压电陶瓷片可以在较宽的频率范围内工作，从几赫兹到几百兆赫兹。

这使得它在声波传感、振动控制等领域有广泛的应用。

4. 高机械品质因数：压电陶瓷片具有较高的机械品质因数，即能量在压电材料中的耗散程度很低。

这意味着它可以高效地转换电能和机械能，并具有良好的能量转移特性。

5. 耐高温性：压电陶瓷片具有较高的耐高温性能，可以在高温环境下使用。

这使得它在一些特殊应用场景中具备优势。

综上所述，压电陶瓷片通过压电效应将机械能转化为电能或将电能转化为机械能。

它具有快速响应、宽频响范围、高机械品质因数和耐高温性等特点，广泛应用于声学、振动控制、传感器及驱动器件等领域。

压电陶瓷测量基本知识

压电陶瓷及其测量原理近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。

由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。

同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。

（一）压电陶瓷的主要性能及参数（1）压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。

这两种正、逆压电效应统称为压电效应。

晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。

在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。

（2）压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。

在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。

介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图1 所示，C I为同相分量，R I为异相分量，C I与总电流I 的夹角为，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）2、机械品质因数机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。

机械品质因数越大，能量的损耗越小。

产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。

机械品质因数m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。

压电陶瓷基本知识培训材料

机械品质因数
反映压电陶瓷在振动过程中能量损耗的大小，影响压电器件的工作效率。
化学稳定性及耐腐蚀性
化学稳定性
压电陶瓷在常温下具有良好的化学稳定性，不易与酸碱等化学物质发生反应。
耐腐蚀性
压电陶瓷能够抵抗一定程度的腐蚀，但在强酸强碱等极端环境下可能会受到损坏。
温度稳定性
在一定温度范围内，压电陶瓷的性能保持稳定，超出该范围可能会导致性能下降。
技术水平
国内压电陶瓷技术水平不断提升，部分产品性能已接近或达到国际先进水平，但高端产品研发和生产能力仍有差距。
产业链完整性
国内压电陶瓷产业链相对完整，涵盖了原料、生产设备、产品研发、生产及应用等环节，但部分关键原材料和高端生产设备仍依赖进口。
政策法规影响因素分析
产业政策
国家出台了一系列支持新材料产业发展的政策，为压电陶瓷产业提供了良好的政策环境。
换能器领域
压电陶瓷可将电能转换为声能或机械能，用于制作扬声器、超声换能器等音频设备，以及超声清洗、超声焊接等工业应用。
市场需求及前景
市场需求
随着智能化、自动化技术的不断发展，压电陶瓷在传感器、驱动器等领域的需求不断增长。同时，新能源、环保等领域的快速发展也为压电陶瓷的应用提供了新的机遇。
成型设备包括压力机、注浆机、流延机等，用于将原料加工成所需形状的坯体。
烧结过程控制要点
温度控制
精确控制烧结温度，避免温度过高或过低导致陶瓷性能下降。
气氛控制
根据陶瓷材料特性，选择合适的烧结气氛，如空气、氧气或还原
气氛等。
时间控制
控制烧结时间，确保陶瓷坯体充分致密化，同时避免过度烧结导
致性能劣化。

07.压电陶瓷

a. PZT瓷的低温相图见P120图5-8 由图可知： (1)随Zr：Ti 变化，居里点几乎线形地从235℃变到490℃ ， Tc线以上为立方顺电相，无压电效应。
§ 7-1 压电陶瓷
(2) Tc 线以下，Zr：Ti=53：47附近有一同质异晶相界线（准同型相界线），富钛侧为四方铁电相Ft，富锆一侧为高温三方（三角）铁电相FR（高温），温度升高，这一相界线向富锆侧倾斜，并与Tc线交于360℃（表明相界附近居里温度Tc高），在相界附近，晶胞参数发生突变（见P119 图5-7）。
§ 7-1 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
§ 7-1 压电陶瓷
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。
§ 7-1 压电陶瓷
电性能，d用得较为普遍，g常用于接收型换能器、拾音器，
高压发生器等场合。
§ 7-1 压电陶瓷
机电耦合系数k
k2
机械能转变所得电能电能转变所得的机械能或 k2 输入的机械能输入的电能
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。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。
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。

半导体(压电陶瓷)

压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。

随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。

因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。

压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。

其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。

1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。

正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。

1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。

当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。

但实际是有损耗的。

有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。

压电陶瓷基本知识

压电陶瓷剖析(36页)

简述压电陶瓷

压电陶瓷

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特种陶瓷第五讲 压电陶瓷

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