压电陶瓷参数整理

压电材料的主要性能参数

（1）介电常数ε

??介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

??介电常数ε与元件的电容C，电极面积A和电极间距离t之间的关系为??? ε=C·t/A

式中C——电容器电容；A——电容器极板面积；t——电容器电极间距

当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。

(2)压电应变常数

压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小：

31

(/) t

d m V

U

=

式中 U——施加在压电晶片两面的压电；

△t——晶片在厚度方向的变形。

压电应变常数

33

d是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。

（3）压电电压常数

33

g

压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小：

31

(m/N) P

U

g V

P

=•

式中 P——施加在压电晶片两面的应力；

P

U——晶片表面产生的电压梯度，即电压U与晶片厚度t之比，P

U=U/t。

压电电压常数

33

g是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。

（4）机械品质因数

??机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。

m E E θ=储损

m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。

（5）频率常数

由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0

22L

L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。

则：

02

L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。

（6）机电耦合系数K

??机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为

K =转换的能量输入的能力

探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。

（7）居里温度C T

压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。

探头对晶片的一般要求：

（1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。

（2） 机械品质因子m θ较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区。

（3） 压电应变常数31d 和压电电压常数31g 较大，以便获得较高的发射灵敏度

和接收灵敏度。

（4） 频率常数t N 较小，介电常数ε较大，以便获得较低的频率。

（5） 居里温度

C T 较高，声阻抗适中。

几种主要的压电陶瓷材料

1钛酸钡压电陶瓷（3BaTiO ）

钛酸钡是最先制成并得到广泛应用的压电陶瓷，其机电耦合系数很高。和其他压电陶瓷比起来，它居里点较低，其机电性能在常温范围内很不稳定，并具有很大的老化率。在强电场作用下，介电损耗也比较大。为了改进钛酸钡性能，采用离子替换和添加少量添加物的方法，这样提高压电常数、弹性常数和介电常数的温度稳定性。

2锆钛酸铅压电压电陶瓷(PZT)

锆钛酸铅压电压电陶瓷的居里点比钛酸钡高的多，在较大的温度范围内性能比较稳定，作为换能材料，它的压电效应显着。且可以通过变更其化学组成大幅度调整其化学性能。

锆钛酸铅种类繁多，各具特点。PZT-4（发射型）具有低机械损耗和介电损耗、大的交流退极化场，并具有较大的介电常数、机电耦合系数和压电常数，特别适合于强电场、大机械振幅的激励。PZT-5（接收型）具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有优异的时间稳定性和温度稳定性，对低功率共振和非共振适用。PZT-8具有比PZT-4更低的机械损耗和介电常数、机电耦合系数，但抗张强度和稳定性优于PZT-4，更适用于高机械振幅的激励。

3偏铌酸铅压电陶瓷(26PbNb O )

它的突出优点是能够经受接近居里点（570℃）而不会强烈地退极化。另一个特点是具有特别低的机械品质因数。特别适合做宽带、耐高温、耐高静水压的换能器。

4铌酸钾钠压电陶瓷（3(,)Na K NbO ）

它具有非常低的介电常数、较高的频率常数和较高的切变机电耦合系数15k ，因而适合切变模式特别是高频（10～100MHz ）下的换能器。 5钛酸铅压电陶瓷（3PbTiO ）

它是一种颇具特点的压电材料。其居里点很高，适合在高温下工作。在压电陶瓷中，它的介电常数最小，具有中等阻抗。它的机电耦合系数t k 和33k 较大，而p k 和31k 却很小，用其制作沿z 轴振动振子，易得到近似的纯模。它的压电常数33g 大，适于做接收器。

超声波探头常用压电材料的主要性能参数

31/10d C N • , 31/10g Vm N • C , 3t m •