压电陶瓷

学业设计(论文)压电陶瓷系别：应用化学与环境工程系专业（班级）：14级应用化学（升本）班作者（学号）：陈云飞（51432221018）指导教师：李宗群（硕士）完成日期： 2015年5月4日蚌埠学院教务处1 引言 ............................................................................................................... - 1 -1.1 概况................................................................................................................. - 1 -1.2 压电效应......................................................................................................... - 1 -1.3压电性能.......................................................................................................... - 2 -1.4 压电陶瓷材料主要参数的确定..................................................................... - 4 -1.5 压电陶瓷的极化工艺..................................................................................... - 4 -1.6 压电陶瓷材料................................................................................................. - 5 - 参考文献................................................................................................................ - 12 -蚌埠学院本科设计（论文）压电陶瓷摘要：压电陶瓷，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。

这是一种具有压电效应的材料。

它在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。

由压电陶瓷构成的超高精度、低能耗、控制简便的驱动器 ,在精密工程中起到了非常重要的作用。

关键词：功能陶瓷材料；压电效应陈云飞：压电陶瓷Piezoelectric ceramicAbstract：Piezoelectric ceramic, a kind of to mechanical energy and electric energy conversion of functional ceramic materials with each other, belongs to theinorganic nonmetallic materials. This is a kind of piezoelectric effect of thematerial. It's in industrial production and has been widely used in daily life.Composed of piezoelectric ceramic ultra high precision, low energy consumption,easy control of the drive, has played a very important role in precisionengineering.Key words：Functional ceramic materials；Piezoelectric effect蚌埠学院本科设计（论文）压电陶瓷1 引言1.1 概况压电陶瓷，是一种新型的功能陶瓷，是一种将机械能转换成电能的陶瓷材料，利用这一特性可以制作高精密度的仪器，在工业生产中起到至关重要的作用，这是一个重要的课题，是功能陶瓷一个重要的应用。

在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。

在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二氢钾盐，具有压电性。

在1940年后，发现了BaTiO3是一种铁电体，具有强的压电效应。

是压电材料发展的一个飞跃。

在1950年后，发现了压电PZT体系，具有非常强和稳定的压电效应，具有重大实际意义的进展。

在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。

随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。

1.2 压电效应压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所以其内部电场为零。

但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效应。

压电陶瓷（piezoelectric ceramics），是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料。

晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应（力→形变→电压）。

晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应（电压→形变）。

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。

例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等陈云飞：压电陶瓷功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

1.3压电性能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：式中d33为压电常数，足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。

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：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）；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。

转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K蚌埠学院本科设计（论文）耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械π2=m Q ))((222102r a r a m f f C C R f f Q -+=π图1-1压电材料形状，基本振动模式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：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。

陈云飞：压电陶瓷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机为一个常数，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（D为圆片的直径）薄板厚度伸缩振动：Nt=fr×t（t为薄板的厚度）细长棒K33振动：N33=fr×l（l为棒的长度）薄板切变K15振动：N15=fr×lt（lt为薄板的厚度）1.4 压电陶瓷材料主要参数的确定材料参数Kp、Qm、d33、ε33和tgδ的确定需采用薄圆片的径向振动模式，要求薄圆片的直径比厚度大得多，其比值大于10。

极化方向与厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直，片子是均匀的正圆形。

如果薄圆片的Δf值较小时，可用下式直接计算：当σ=0.27时，Kp2≌2.51Δf/fs当σ=0.30时，Kp2≌2.53Δf/fs当σ=0.36时，Kp≌2.55Δf/fsQm=1/4ΠR1CΔf×1012ε33=4Ctlt/ΠΦCt是薄圆片的低频电容(法拉),可在1KC频率下由电容电桥测出,lt为薄圆片的厚度(米), Φ为薄圆片的直径(米), ε33为自由介电常数(法拉/米)。

tgδ用电容电桥或万用电桥等测出。

d33用准静态测试仪测定。

1.5 压电陶瓷的极化工艺极化工艺是指在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。

只有经过极化工艺处理的陶瓷，才能够显示压电效应。

①极化电场极化电场是极化工艺中最主要的因素，极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化越充分，一般以Kp达到最大值的电场为极化电场。

极化电场必须大于样品的矫顽场，通常为矫顽场的2～3倍，以常见的锆钛酸铅压电陶瓷为例，其矫顽场一般为800～1200V/mm，极化电场一般取2000～3000V/mm。

蚌埠学院本科设计（论文）②极化时间外加电场后，极化初期主要是陶瓷内部180°电畴的反转，之后是90°电畴的转向，而90°电畴的转向会由于内应力的阻碍而较难进行，因此适当延长极化时间，电畴取向排列的程度高，极化效果好。

一般极化时间为10min～50min。

③极化温度在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列容易，极化效果好。