第八章-材料的压电性能和铁电性能.

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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：
材料的压电性能与铁电性能
压电效应1880年发现．铁电 体 1920 年发现，铁电体是重要的 功能材料 第一节 第二节 第三节 第四节 压电性能 热释电与铁电性能 铁电材料的电光效应及其应用 影响材料压电性与铁电性的因素
第一节
一 压电效应的基本原理
压电性能
1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表 面电荷的现象 2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电． 对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、 负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电 3 正压电效应 4 逆压电效应 具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中心的位移，导致晶体发生形变
Qm 2 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 2f 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
第二节 热释电与铁电性能
（2）逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变化 （3）热释电红外敏感元件 ①能充分吸收入射的红外线 ②热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度
第二节 热释电与铁电性能
一 自发极化及其微观机制 1自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的 晶胞中正负电荷中心不重合，晶胞的固有偶极矩会沿 同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态 具有自发极化的晶体必然是个带电体，其电场强度取 决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移， 则极化起因于晶格中所有的 A 离子作相同的位移，对 于任何一个单个的 A 离子，即使无外场作用，也有来 自周围极化P所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应 束缚在表面的自由电荷层有一部分可恢复自由释放出 来，使晶体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流
N33=fr×l
N15=fr×lt
第一节
四 压电材料的应用
压电性能
1日常生活应用 煤气炉、汽车发动机等所用的压电点火器．电子手表 所用的压电谐振器，声控门、报警器，验证个人笔迹 和声音特征的压电力敏传感器等 2电子学领域应用 信号处理器、存贮显示器、信号发生器及各类计量测 试元件等 3高灵敏度、高可靠性的传感器 压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器
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 d33T3
式中d33为压电常数，下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。
第二节 热释电与铁电性能
二晶体的热释电效应
1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应 有压电性的晶体不一有热释电性 2 热释电性能表征 （1）热释电系数 表示热释电效应的强弱 与晶体所处状态有关
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
• 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。
3、机械品质因数Qm
压电陶瓷在振动时，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：
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）；
第一节
压电性能
2 边界条件 机械边界条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路 压电振子共有四类边界条件
wenku.baidu.com 第一节
三 压电性能的主要参数
压电性能
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能） 2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗 3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律 4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数 5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量 6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
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
Np=fr×D Nt=fr×t
D为圆片的直径
薄板厚度伸缩振动
细长棒K33振动 薄板切变K15振动
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度
第一节
5 压电材料 机电耦合效应
压电性能
二 压电振子与压电方程
1 压电振子及其特征频率 （1）压电振子的基本概念 压电振子固有振动频率fr (2)最小阻抗频率fm 振子阻抗为最小的频率 (3)最大阻抗频率fn 振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效 电路图
第一节
(5) 特征频率的含义
压电性能