压电陶瓷的物理性能

6.3压电陶瓷教程

6.3 压电陶瓷
本章主要内容： 1 相关概念（1）极化；（2）压电效应；（3）压电陶瓷。 2 压电陶瓷的性能参数（1）弹性常数；（2）机械品质因素；（3）压电性、压电常数与压电方程；（4）机电耦
合系数。 3 压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例） 4 压电陶瓷的应用 5 压电超声换能器的应用与发展
（3）压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶瓷制品。
人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。
2 压电陶瓷的性能参数
（1）弹性常数(elastic coefficient)
❖ 烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于 PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止 PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。
（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。
信号转换振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器
发射接收超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗
信号处理滤波器，放大器，振荡器，混频器
Байду номын сангаас
传感计测加速度计，压力计，角速度计，红外探测器
存贮显示电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器
其它非线性元件，压电继电器等
压电陶瓷应用（一）
压电陶瓷应用（二）
（2）机械品质因素(mechanical quality factor) 它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品质因素越大，能量的损耗越小。

pzt5压电陶瓷片使用手册

pzt5压电陶瓷片使用手册一、产品概述pzt5压电陶瓷片是一种具有优异压电性能的陶瓷材料，广泛应用于超声波、音频设备、传感器等领域。

它具有高灵敏度、低损耗、稳定性好等优点，能够将电能有效地转换为机械能，实现微小位移的精确控制。

二、物理特性1. 尺寸：pzt5压电陶瓷片有多种尺寸可供选择，以满足不同应用场景的需求。

2. 重量：pzt5压电陶瓷片相对较轻，方便安装和使用。

3. 机械性能：具有良好的机械强度和耐久性，能够在高压力、高温度环境下稳定工作。

4. 电学性能：具有优异的压电性能，压电常数和介电常数较高，能够实现高效的电能转换。

三、技术规格1. 压电常数：pzt5压电陶瓷片的压电常数随温度、频率、应力等条件的变化而变化，具体数值可根据实际需求进行测试和计算。

2. 介电常数：介电常数是衡量材料介电性能的参数，pzt5压电陶瓷片的介电常数与频率有关，需在特定条件下进行测量。

3. 电阻率：电阻率是衡量材料导电性能的参数，pzt5压电陶瓷片的电阻率相对较高，具有良好的绝缘性能。

4. 机械品质因数：机械品质因数是衡量材料机械性能的重要参数，pzt5压电陶瓷片的机械品质因数较高，具有较好的稳定性和耐久性。

四、驱动电路与连接方式1. 驱动电路：pzt5压电陶瓷片需要专门的驱动电路才能正常工作，驱动电路应具有稳定性好、噪声低等特点。

2. 连接方式：pzt5压电陶瓷片的连接方式有串联、并联等多种方式，具体连接方式应根据实际需求进行选择。

五、操作步骤与使用技巧1. 操作步骤：首先选择合适的驱动电路和连接方式，然后将pzt5压电陶瓷片按照规定连接方式连接到电路中，最后调整驱动电路的参数使pzt5压电陶瓷片正常工作。

2. 使用技巧：在使用过程中应注意避免对pzt5压电陶瓷片进行过大的压力或位移操作，以免损坏材料；同时应注意保持材料表面的清洁和干燥，避免影响其性能。

六、维护与保养1. 定期检查：应定期检查pzt5压电陶瓷片的连接线路是否牢固，有无松动或接触不良等现象。

压电陶瓷

在电场E3和应力X1作用下，压电陶瓷片产生电位移

当E3 0，X1 ＝ 0, 产生的介电电位移：
D 3(1) = X33 E3 当E3 ＝ 0，X1 0, 产生的压电电位移： D 3(2) = d31 X1 当E3 0，X1 0, 产生的总电位移：
D3 ＝ D 3(1) ＋ D 3(2) = X33 E3 ＋ d31 X1

热力学关系（守恒定律）赋予物理性质本身的固有对称性对宏观物理性质的影响－－要求描述晶体宏观物理性质的二阶以上张量都是对称张量，如
介电常数张量元 ij = ji 应变 xij = xji
压电常数 dijk = dikj
压电陶瓷的介电常数

对各向同性介质， ij 为标量
对各向异性介质， ij 为二阶张量
X Di ij E j d i X E x d j E j s X
x Di ij E j ei x E X e j E j c x

第二类压电方程组
Ei ijX D j g i X

第三类压电方程组
D x g j D j s X
压电方程组
D3 ＝ X33 E3 ＋ d31 X1 x1 ＝ s11E X1＋ d31 E3
压电方程组

对于一般情况：
Di = ijX Ej + di µX µ
x = dj Ej + s µEX µ

可简写为： D= d X + X E x = sE X + d E

第一类压电方程组
类型第一类边界条件机械自由机械夹持机械自由机械夹持名称电学短路电学短路电学开路电学开路特点 dX=0 d x=0 dX=0 dx=0 dx0 dE=0 dX 0 dE=0 dx 0 dD=0 dX 0 dD=0

压电陶瓷2

压电陶瓷基本特性：1.位移特性KS EEQL r2 2εεε+=∆式中，Q r为极化后的剩余电荷，ε为压电介质的介电常数，E为压电陶瓷内部电场强度，S为压电陶瓷的横截面积，K为压电陶瓷碟片的弹性模量，ε0 为真空的介电常数式中的ε不是常量，而是和所加电压和加压史有关，因而压电陶瓷位移和电场强度（电压）的关系存在迟滞特性。

下图为这一陶瓷在正负电压下的位移-电压特性曲线：2.出力位移特性在空载的情况下压电陶瓷的输出位移为最大输出位移，在最大输出力的作用下，压电陶瓷的输出位移将为零，压电陶瓷的输出力和位移的关系曲线如下图：3.温度特性①压电陶瓷随着温度的变化而伸长。

②压电/电致伸缩陶瓷的输出位移随着温度的增加而减少，压电陶瓷的减少幅度较小，电致伸缩陶瓷减少幅度较大。

4.迟滞特性压电陶瓷的迟滞一般在14%左右，目前提出的减少迟滞的方法主要有：①采用电荷控制方法；②采用压电陶瓷两端串联小电容的方法；③运用模型；④采用电阻和电容组成桥路；⑤压电陶瓷元件位移闭环压电陶瓷作动器是高精度定位中的关键部件，它能满足纳米级定位精度，具有体积小、刚度高、响应快等优点。

然而它的相应位移和驱动电压之间存在着非对称迟滞特性，同时自身的蠕变和环境温度的变化也会造成其定位精度的漂移。

而且压电陶瓷作动器的非对称迟滞特性对控制精度的影响十分显著。

为减少和消除该不利影响，目前主要有两种解决途径：①电荷控制：它需要特别设计的电荷驱动放大器，但该放大器价格昂贵，且存在漂移和过饱和等问题，因而极大的限制了其应用；②电压控制：需要建立非线性迟滞的数学模型，并通过逆模型前馈补偿来控制精度。

电压控制逐渐成为压电陶瓷作动器精密控制的首选方案，其关键是非线性迟滞的精确建模。

对于迟滞特性建模存在两个困难：1)非局部存储现象．2)上升曲线和下降曲线是不对称曲线迟滞模型的研究主要分为两个方向：一种是基于机理的物理模型，从基本物理原理出发描述物理特性；如Maxwell模型，Jiles-Atherton模型，Duherm模型。

压电陶瓷

目录（contents）
01
压电陶瓷的原理及应用
压电陶瓷的性能参数
03
02
04
压电陶瓷的制作工艺
压电陶瓷的研究现状
压电陶瓷的原理及应用
）
压电陶瓷是一种将机械能与电能相互转换的功能陶瓷
压电陶瓷点火器深大材料学院
压电陶瓷加湿器
压电陶瓷的原理及应用
）
压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。
深大材料学院
压电陶瓷的制作工艺
干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内，借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。
）
加压方式
干压成型一般分单向加压和双向加压两种方式。较薄制品可采用单向加压方式；厚制品宜采用双向加压，以使坯体内密度较均匀。
深大材料学院
压电陶瓷的制作工艺排塑
粘合剂是一种还原性强的物质，压电瓷料干压成型主要使用聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PGE）。在成型以后需要升温将其排出，以避免影响烧结质量，这一工序称为排塑。为了防止还原作用，排塑时要保证较好的通风条件。
深大材料学院
压电陶瓷的制作工艺
）
2) 材料类型
① 接收型压电陶瓷材料已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中在0.5%以内的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。 ② 发射型压电陶瓷材料要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好，一般希望在0.05%以下。对于为了提高其它性能参数的有意添加物，另当别论。
深大材料学院
压电陶瓷的原理及应用
）
这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。

压电陶瓷声阻抗

压电陶瓷声阻抗压电陶瓷声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。

压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应，即在施加力或压力时会产生电荷分离。

由于压电陶瓷具有可逆的压电效应和逆压电效应，使得它在许多领域中得到广泛应用。

声阻抗是声波传播过程中介质对声波的阻抗，它包括声波在空气和介质之间的传播阻抗和介质本身的阻抗。

而压电陶瓷的声阻抗与其压电性能密切相关。

压电陶瓷的声阻抗与其物理特性密切相关。

首先，压电陶瓷的声阻抗与其压电系数有关。

压电系数是指材料在压电效应下产生的电荷与压力或应变之间的比例关系。

压电陶瓷的压电效应使得其能够将声波转换为电信号或反过来，将电信号转换为声波。

其次，压电陶瓷的声阻抗与其密度和声速有关。

密度越大，声阻抗越大；声速越小，声阻抗越小。

最后，压电陶瓷的声阻抗还与其厚度有关。

压电陶瓷越厚，声阻抗越大。

压电陶瓷的声阻抗对于一些特定应用非常重要。

例如，在无损检测中，声阻抗的匹配可以增强信号的传输和检测的准确性。

同时，在超声波治疗中，声阻抗的匹配可以提高能量的传递效率，从而更好地治疗病变组织。

此外，在声纳系统和声学传感器中，压电陶瓷的声阻抗也是关键参数，它可以影响声波的传播和接收效果。

为了提高压电陶瓷的声阻抗匹配，可以采取一些措施。

首先，可以通过改变压电陶瓷的尺寸和厚度来调节声阻抗。

其次，可以利用特殊的耦合层或缓冲层来增加声阻抗的匹配性能。

还可以通过选择合适的接触材料和设计合适的结构来提高声阻抗的匹配效果。

总之，压电陶瓷的声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。

它与压电陶瓷的物理特性密切相关，包括压电系数、密度、声速和厚度等。

压电陶瓷的声阻抗对于一些应用非常重要，如无损检测、超声波治疗和声纳系统等。

为了提高声阻抗的匹配性能，可以采取一些措施，如改变尺寸和厚度、使用耦合层和设计合适的结构等。

通过优化声阻抗的匹配，可以提高压电陶瓷的应用效果。

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。

压电陶瓷的耐压值

压电陶瓷的耐压值
压电陶瓷的耐压值是指在施加电场时，能够承受的最大电压，常用单位为伏/米（V/m）。

压电陶瓷作为一种重要的功能材料，其耐压值的大小直接影响其在实际应用中的使用效果和稳定性。

以下是压电陶瓷耐压值的一些相关信息：
一、影响耐压值的因素
压电陶瓷耐压值的大小与材料的物理性能、制备工艺、以及使用环境等因素密切相关。

其中，陶瓷的绝缘性、氧化物的含量、晶体粒度和晶面取向等方面的因素都会对其耐压值产生一定的影响。

二、常见压电陶瓷的耐压值
1. PZT系列压电陶瓷：经过不同的制备方法和工艺控制，其耐压值可在几百伏/米至数千伏/米之间变化。

2. BNKT系列压电陶瓷：耐压值通常为500-1000伏/米左右。

3. ZnO系列压电陶瓷：耐压值一般不高，通常在50-100伏/米之间。

三、如何提高压电陶瓷的耐压值
1. 优化粉体制备和成型工艺，控制氧化物的含量和晶体粒度。

2. 使用较高纯度的原材料，并采用较为严格的固相反应制备工艺。

3. 设计合理的电极结构，进行电极材料的优化选择。

4. 控制冷等静压工艺参数，提高产品的致密度和杂质含量。

总的来说，压电陶瓷的耐压值是一个综合因素，受多个方面因素的影响。

因此，在使用压电陶瓷的过程中，需要根据具体的应用环境和要求，选择合适的压电陶瓷材料和制备工艺，以保证其稳定性和可靠性。

压电陶瓷

BACK
配料
成型
排塑
老化测试
混合磨细
造粒
烧结成瓷
高压极化
预烧
二次磨细
外形加工
被电极
BACK
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。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。目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。
• 适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。
BACK
声纳
• 在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是声纳。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇的方位、距离等。
BACK
高压发生器
声音转换器
声纳
谐振器
滤波器
超声波
其他运用
BACK
声音转换器
• 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。

第二讲：压电陶瓷参数及多层压电陶瓷性能及注意事项

Qe
1 tan
测量试样自由电容 CT
测试的精度需要考虑到 • 设备自身的测试精度，温度的精度±2度，电容的测试精度在±10%等等 • 样品的规格要求12mm×6mm×1mm；或者直径l5～20 mm，厚度0.7～1 mm • 工装要求：总分布电容要小于试样室温自由电容的5%，线尽可能短 • 测试过程要求：温度点不少于10个，升（降）温速度不大于3℃/min．在每个选定的温度点保持一定时间，一般为1h．
2 =0.27 时， K p 2.51
f fr
f fr f
2 =0.30时， K p 2.53
kp
2 1
d 31 s
E T 11 33

2 k31 1
k p k 31
2 =0.36时， K p 2.55 f r
平面机电耦合系数Kp
f s0
f s1 分别为压电振动体基音频率和一次泛音频率，
且一次泛音约是基音频率的2.5～2.6倍。
公式只适合于泊松比从0.27到0.42的情况，0～0.5的情况可以获得 f s1 f s 0 再查表。
机电耦合系数
Electromechanical coupling factor
表示压电体中机械能与电能之间相互耦合程度的重要参数，是衡量压电性强弱的重要物理量。无论执行器还是传感器，都应尽量高；
压电铁电各种物理参数及其关系
压电陶瓷各种参数
压电陶瓷材料最常用参数
介电性
压电性
弹性
机械自由介电常数T11 、T33 ；机械夹持介电常数 S11 、 S33 d31； d33；d15 s11； s12 ； s13 ； s33 ；s44
介电损耗角正切 tan

压电陶瓷特点

压电陶瓷特点
压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应，即在施加或取消机械压力时会产生电荷分布的变化。

以下是压电陶瓷的一些特点：
1. 压电效应：压电陶瓷的最显著特点是具有压电效应。

当施加压力或拉伸力时，其晶格结构发生变化，导致正电荷和负电荷在陶瓷内部的分布发生变化，从而产生电荷。

这个电荷分布的变化产生的电场使得压电陶瓷呈现出电荷的极性。

2. 压电材料应用广泛：压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、声波器件等领域。

例如，压电陶瓷可以用于制造压电传感器，用于检测和测量压力、力、温度等物理量。

3. 高频响应：压电陶瓷具有较高的频率响应能力，因此常被应用于声波器件，如扬声器、超声波发生器等。

4. 机械刚性好：压电陶瓷具有较好的机械刚性，可以在较大的压力范围内保持其稳定性，这使得它在一些需要耐高压力环境的应用中具有优势。

5. 温度稳定性：压电陶瓷具有相对较好的温度稳定性，能够在一定温度范围内保持压电效应的稳定性。

6. 易加工：压电陶瓷易于制备和加工，可以通过陶瓷成型和烧结等工艺进行制造，使其形成不同形状和尺寸的器件。

7. 良好的电机械能换能性能：压电陶瓷具有良好的电机械能换能性能，即可以将电能转换为机械能，也可以将机械能转换为电能。

8. 耐腐蚀性：压电陶瓷具有较好的耐腐蚀性，可以在一些特殊环境下使用。

总体而言，压电陶瓷以其独特的压电性能在多个领域有广泛的应用，从传感器到声学器件等，都发挥着重要的作用。

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

压电陶瓷的物理性能与压电方程

四、压电陶瓷的性能
第二节压电陶瓷的内部结构
晶态固体（晶体）：食盐、云母、金刚石非晶态固体：玻璃、松香、塑料
○ 晶体具有对称的外形，非晶体则没有； ○ 一些物理性质各向异性，如：杨氏模量、硬度、折射率、电阻率、磁化率，非晶体则是各向同性的； ○ 晶体具有熔点，非晶体没有； ○ 晶体在外力的作用下，容易沿着一定的平面裂开，这平面称为解理面，而非晶体没有解理面。 ○ 组成晶体的分子、原子或离子有规则的周期性地排列，称为晶体点阵结构，非晶体的微粒没有排列规则；
画出电滞回线，标出剩余极化强度和矫顽电场。
说明介质损耗的原因，写出复介电系数的表达式。
写出3方向极化的压电陶瓷的极化系数和介电系数的矩阵表达式。
极化过程
02
03
04
01
习题
第四节压电陶瓷的弹性性能
一、形变与应变
1．形变—物体受到外力作用，大小和形状发生改变
⑴ 形式
⑵ 性质
弹性形变——去掉外力后，形变消失塑性形变——去掉外力后，残余形变
02
继续加反向电场，直到该电场加到，极化强度才变为0。这个电场称为矫顽电场。循环一周，就可以得到一个封闭的曲线，称为电滞回线。具有这种功能的材料被称为铁电材料。
03
第三节压电陶瓷的介电性能
二、极化系数和介电系数
极化强度P与电场强度E之间的比值，称为极化系数。它是一个表征材料介电性能的物理量。
单晶体：组成整块晶体的微粒都按一定的规则排列，如天然生长的方解石，人工培养的单晶硅、红宝石。多晶体：有些晶体的晶粒内的微粒是规则排列，但晶粒的大小和形状不同，取向也是凌乱的，因此无明显的规则外形，也不表现出各向异性，成为多晶体。
一、晶体的内部结构

压电陶瓷材料

压电陶瓷材料压电陶瓷材料摘要：本⽂包括压电陶瓷压电陶瓷的产⽣发展，机理，⽣产及其应⽤，从各⽅⾯阐述了压电陶瓷材料的种种物理性能，以及压电陶瓷为我们⽣活带来的便利，对科技发展带来的种种贡献。

前⾔：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。

随着现代电⼦信息技术的飞速发展 ,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。

本⽂专注介绍了压电陶瓷的产⽣发展，机理，⽣产及其应⽤，从各⽅⾯阐述了压电陶瓷材料。

压电陶瓷发展史：1880年，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年，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。

1894年，Voigt指出，仅⽆对称中⼼的⼆⼗种点群的晶体才有可能具有压电效应，⽯英是压电晶体的⼀种代表，它被取得应⽤。

第⼀次世界⼤战，居⾥的继承⼈郎之万，最先利⽤⽯英的压电效应，制成了⽔下超声探测器，⽤于探测潜⽔艇，从⽽揭开了压电应⽤史篇章。

第⼆次世界⼤战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应⽤取得划时代的进展。

1946年美国⿇省理⼯学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流⾼压电场，使其⾃发极化沿电场⽅向择优取向，除去电场后仍能保持⼀定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞⽣了压电陶瓷。

压电陶瓷概念：压电材料分为压电晶体和压电陶瓷。

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。

压电陶瓷则泛指压电多晶体。

压电陶瓷是指⽤必要成份的原料进⾏混合、成型、⾼温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程⽽获得的微细晶粒⽆规则集合⽽成的多晶体。

具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。

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。

压电陶瓷综述

摘要:本文综述了无铅压电陶瓷研究开发的相关进展,着重介绍了钙钛矿结构无铅压电陶瓷(包括BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、碱金属铌酸盐K1/2Na1/2NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷)、钨青铜结构无铅压电陶瓷及铋层状结构无铅压电陶瓷等不同陶瓷种类的相关体系、制备方法及压电铁电性能,并根据相关性能参数分析了无铅压电器件的应用领域,最后对其发展前景进行了展望。

关键词:无铅压电陶瓷;钙钛矿结构;钨青铜结构;铋层状结构1引言压电陶瓷作为一种将机械能与电能相互转换的重要功能材料,因具有稳定的化学特性、优异的物理性能、易于制备各种形状和任意极化方向的材料特性,广泛应用于基于压电等效电路的振荡器、滤波器和传感器,各种类型的水声、超声、电声换能器等,遍及日常生活、工业生产以及军事等领域[1]。

随着电子信息技术的飞速发展,现在对电子元器件的小型化、功能化、低成本、高稳定性的要求更高,压电陶瓷材料及其应用研究也正在加深,期望得到具有性能好、品种多、增值高、污染少等优点的压电陶瓷材料。

目前大规模使用的压电陶瓷材料主要是性能优异的以PZT为基的二元系及多元系陶瓷,但是PbO(或Pb3O4)含量约占其原料总量的70%左右,PbO有毒、高温下具有挥发性,在材料的制备过程中不仅危害环境,而且使其化学计量式偏离了计算配方,进而使产品一致性和重复性降低,导致陶瓷性能下降。

另外,含铅器件废弃后也会给人类及生态环境带来危害,如果将其回收实施无公害处理,所需成本将很高,甚至远高于当初器件的制造成本[2]。

因此,不管是为了满足市场需求,还是出于保护环境,压电陶瓷材料的无铅化是必然趋势 ,进行无铅压电陶瓷及其应用的研究开发将是一个具有现实意义的课题。

2无铅压电陶瓷概况无铅压电陶瓷,也称为环境协调压电陶瓷,要求陶瓷材料既具有尽可能高的压电性能又具有良好的环境协调性。

从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究。

压电陶瓷及其应用

压电瓷及其应用一. 概述压电瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与瓷的生产工艺相似〔原料粉碎、成型、高温烧结〕因而得名。

*些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体外表出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。

晶体的这种性质称为压电性。

压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。

几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。

1940年以前，只知道有两类铁电体〔在*温度围不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体〕：一类是罗息盐和*些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。

前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温〔低于—14 C〕下才有压电性，工程使用价值不大。

1942-1945年间发现钛酸钡〔BaTiO〕具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电瓷的发现是压电材料的一个飞跃。

这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电瓷，并获得广泛应用。

1947年美国用BaTiO瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。

BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。

1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO -PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。

此后又研制出PLZT透明压电瓷，使压电瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。

我国对压电瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已到达或接近国际水平。

二. 压电瓷压电性的物理机制压电瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩〔极化〕发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。