压电陶瓷材料电学性能参数测量研究
压电陶瓷性能实验报告
一、实验目的1. 了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2. 掌握压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3. 通过实验，掌握压电陶瓷的性能测试方法，并对实验数据进行处理和分析。
二、实验原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，当受到外力作用时，会在其表面产生电荷；反之，当施加电场时，压电陶瓷会产生形变。
压电陶瓷的性能主要包括压电系数、介电常数、损耗角正切、机械品质因数等。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：压电陶瓷样品2. 实验仪器：（1）电容测微仪（2）机械标定仪（3）直流电源（4）扫描隧道显微镜（5）谐振法测定仪（6）准静态法测定仪四、实验步骤1. 样品准备：将压电陶瓷样品清洗干净，并用无水乙醇进行脱脂处理。
2. 压电陶瓷性能测试：（1）电容测微仪测试：将压电陶瓷样品固定在电容测微仪上，通过改变直流电压，观察样品的轴向变形和弯曲变形。
（2）谐振法测定：将压电陶瓷样品固定在谐振法测定仪上，测量样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
（3）准静态法测定：将压电陶瓷样品固定在准静态法测定仪上，测量样品的压电常数d33。
3. 数据处理与分析：将实验数据输入计算机，进行数据处理和分析，得出压电陶瓷的性能参数。
五、实验结果与分析1. 电容测微仪测试结果：通过电容测微仪测试，得出压电陶瓷样品的轴向变形和弯曲变形与电压的关系曲线。
根据曲线，计算出样品的压电系数。
2. 谐振法测定结果：通过谐振法测定，得出压电陶瓷样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
根据曲线，计算出样品的介电常数和损耗角正切。
3. 准静态法测定结果：通过准静态法测定，得出压电陶瓷样品的压电常数d33。
根据测定结果，分析样品的压电性能。
六、实验结论1. 压电陶瓷样品具有良好的压电性能，满足实验要求。
2. 实验过程中，通过电容测微仪、谐振法测定和准静态法测定，分别获得了压电陶瓷样品的轴向变形、弯曲变形、频率响应曲线、压电耦合系数、介电常数、损耗角正切和压电常数等性能参数。
压电陶瓷电特性测试与分析
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。
通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。
关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性0 引言压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。
它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。
与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。
利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。
通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。
为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。
我国对生态环境的保护也是相当重视的。
因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。
但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。
因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。
本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。
1 测量参数和实验方法依据目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下：GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）GB 11312-89 压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方法GB 11310-89 压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。
压电陶瓷测试方法国标
压电陶瓷测试方法国标压电陶瓷是一种可以产生电荷和电势差的材料，具有压电效应。
为了保证压电陶瓷产品质量的准确性和可靠性，需要进行一系列测试。
以下是压电陶瓷测试的国际标准方法。
1.电感测量法电感测量法用于测量压电陶瓷元件的电感值。
测试时，将元件连接到测试电路中，以确保电感的准确测量。
在测试过程中，应注意保持环境恒温，并校准测试仪器。
2.动态机械特性测试动态机械特性测试用于评估压电陶瓷材料的机械性能。
测试方法包括材料的疲劳寿命测试、应变-力测试、失效测试等。
通过这些测试，可以评估材料的稳定性和可靠性。
3.压电常数测试压电常数是一个重要的参数，用于描述压电陶瓷材料的压电效应。
测试方法包括绝对压电常数和相对压电常数的测量。
测试时需要使用压电测试仪器，并进行准确校准。
4.电压系数测试电压系数是衡量压电陶瓷材料在电压变化下的应变变化的参数。
测试方法包括压电陶瓷材料在不同电压下的应变测量。
测试时，需要使用电压测试仪器，并进行准确校准。
5.热稳定性测试热稳定性测试用于评估压电陶瓷材料在高温环境下的性能。
测试方法包括高温膨胀系数的测量、热导率测试等。
通过这些测试，可以评估材料在不同温度范围内的性能稳定性。
6.密度测量密度测量是评估压电陶瓷材料质量的重要指标。
测试方法包括大小排列法、水排除法、放射射线法等。
测试时，需要选择适当的方法，并使用准确的仪器进行测量。
7.表面形貌测试表面形貌测试用于评估压电陶瓷材料的表面质量和形态。
测试方法包括光学显微镜、扫描电子显微镜等。
通过这些测试，可以评估材料的表面光滑度和微观结构。
以上是压电陶瓷测试的国际标准方法。
这些测试方法可以帮助生产厂家确保产品质量的可靠性和一致性，以满足市场需求和客户需求。
压电陶瓷参术
<三> 实验步聚
1．fr、fa的测量
把压电振子接入测试线路的A、B两点如（图一），终端电阻 、 接1kΩ或5.1Ω（拨K2 波段开关），K1拨到样品挡，调节讯号发 生器从低频到高频，使超高频电压表指示最大。此时电子计数 频率计上的读数，即为谐振频率。拨开K2，使终端电阻接到1k 处，继续增大信号发生器的频率，使高频电压表指示最小，此 时数字频率计上指示的频率，即为反谐振频率。
图一 π型网络传输法测试线路
将压电振子在谐振频率附近的参数和特性用一 相应电路的参数和特性来表示，这个电路称为电振 子的等效电路。 L1——动态电感。 C1——动态电容。 R1——动态电阻（或串联谐振电阻） C0——并联电容（或静态电容）
图二
等效电路
压电陶瓷材料的机电耦合系数是综合反映压电陶 瓷材料性能的参数，是衡量材料压电性能好坏的一个 重要物理量。它反映了压电陶瓷材料的机械能与电能 之间的耦合效应。通过谐振频率和反谐振率（如果较 小的话）可直接计算。
<四> 注意事项
信号发生器在开机前，应将输出细调电位器旋至最小， 开机后过载指示灯熄灭后，再逐渐加大输出幅度。面板上的 六挡按键开关，用作波段的选择，根据所需频率，可按下相 应的按键开关，然后再用按键开关上方的三个频率扭按十进 制原则细调到所需频率。 当输出旋扭开得较大，过载指示灯亮，表示输出过载， 应减小输出幅度。如果指示灯一直亮。应停机检查故障。
将压电振子（经极化工艺处理的压电陶瓷片）接入一特 定的传输网络中（如图一A、B两点），外加一定的信号电压 给压电振子，并逐步改变电压频率，当频率调到某一数值时， 压电振子产生谐振。此时振子阻抗最小，输出电流最大，以 表示最小阻抗（或最大导纳）的频率。当频率继续增大到另 一频率时，振子阻抗最大，输出电流最小，以表示最大阻抗 （或最小导纳）的频率。我们把阻抗最小的频率近似作为谐 振频率，阻抗最大的频率近似作为反谐振频率。
pzt-4压电陶瓷电学参数
pzt-4压电陶瓷电学参数
PZT-4是一种常见的压电陶瓷材料，具有优良的压电性能和电
学参数。
关于PZT-4的电学参数，我们可以从多个方面来进行全面
的回答。
首先，PZT-4的介电常数通常在1000至1500之间，这意味着
它在外加电场下的极化能力非常强。
这也使得PZT-4成为一种优秀
的压电材料，可用于传感器、换能器和压电马达等应用。
其次，PZT-4的压电常数通常在600至750之间，这表明它对
于机械应力的响应非常敏感。
这使得PZT-4在压电传感器和执行器
方面有着广泛的应用，例如压力传感器、声波发生器等。
此外，PZT-4的电机械耦合系数通常在0.6至0.7之间，这意
味着它能够高效地将电能转换为机械能，或者将机械能转换为电能，因此在压电换能器和压电马达中有着重要的应用。
另外，PZT-4的电阻率通常在10^9至10^11Ω·cm之间，这使
得它在一些特定的电学应用中能够表现出良好的绝缘性能。
总的来说，PZT-4作为一种压电陶瓷材料，具有较高的介电常数、压电常数和电机械耦合系数，以及较高的电阻率，这些优秀的电学参数使得它在压电传感器、换能器、压电马达等领域有着广泛的应用前景。
希望这些信息能够对你有所帮助。
材料测试方法举例——压电陶瓷
材料测试方法举例——压电陶瓷压电陶瓷是一种能够产生压电效应的陶瓷材料，具有压电、电致伸缩和压电声发射等特性。
为了评估压电陶瓷的性能和质量，需要进行一系列的材料测试方法。
下面是针对压电陶瓷的几种常用测试方法举例，供参考。
1.压电常数测试：压电常数是评价压电陶瓷的重要指标之一，用于描述材料对外力作用下电荷产生的比例关系。
测试之前，首先需将压电陶瓷样品制成规定的尺寸，然后通过设备施加压力，测量在不同压力下的电荷大小，进而计算压电常数。
常用的测试方法包括电荷常数法、弯曲法和悬臂梁法等。
2.电机械耦合系数测试：电机械耦合系数是反映压电陶瓷在电场作用下的振动和机械功率输出之间关系的指标。
测试时，将压电陶瓷样品固定在振动台上，通过施加电压激励材料振动，测量振动的频率和幅值，然后计算电机械耦合系数。
3.管路声发射测试：压电陶瓷可以应用于声发射传感器，用于检测管路中的泄漏或其他故障。
测试时，将压电陶瓷传感器安装在管路上，并进行正常运行的测试过程。
通过监测传感器产生的压电信号变化，可以识别管路中是否存在泄漏或故障。
4.微观结构分析：压电陶瓷的微观结构对其性能具有重要影响，因此需要进行微观结构分析。
常用的方法包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等。
通过这些技术，可以观察到材料的晶粒结构、晶格畸变和缺陷等信息，从而评估材料的质量和性能。
5.稳态和瞬态性能测试：为了确定压电陶瓷的稳态和瞬态性能，需要进行相应的测试。
稳态性能测试主要包括电压-位移曲线测试和电压-电荷曲线测试，通过施加不同的电压并测量相应的位移或电荷，来评估材料对电场刺激的响应。
瞬态性能测试主要包括步进响应测试和冲击响应测试，通过输入瞬态电压或冲击信号，测量材料的响应时间和能量转换效率。
上述仅是压电陶瓷测试方法的一小部分举例，实际测试方法应根据具体应用和需求进行选择和设计。
测试方法的选取应考虑准确性、重复性、可靠性和可操作性等因素，以确保对压电陶瓷材料进行准确全面的评估。
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数压电陶瓷材料是一种具有压电效应的材料，可将机械的压力或应力转化为电能，同时也可以将电能转化为机械的压力或应力。
因此，对于压电陶瓷材料的测试，需要关注以下13个基本参数。
1.介电常数（Dielectric constant）：介电常数是指材料在电场作用下的电极化能力，是压电陶瓷材料的一个重要指标。
介电常数越大，材料的电极化能力越强。
2.电容（Capacitance）：电容是指单位电压下存储的电荷量，通常以法拉（F）为单位。
对于压电陶瓷材料，电容可以用来判断材料的电性能。
3.压电系数（Piezoelectric coefficient）：压电系数是指压电材料产生的电荷与施加在材料上的应力或压力之间的比例关系。
压电系数可以分为压电应力系数和压电应变系数。
4.机械耦合系数（Electromechanical coupling coefficient）：机械耦合系数是指压电陶瓷材料在机械和电学特性之间的耦合程度。
该参数描述了材料将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的能力。
5.压电应用温度范围（Operating temperature range）：压电陶瓷材料在不同温度下的性能是不同的，因此需要确定材料的工作温度范围。
过高或过低的温度可能会影响材料的性能。
6.力常数（Force constant）：力常数是指压电材料在单位面积上所承受的力与电压或电荷之间的比例关系。
力常数可以用来描述材料的力学特性。
7.色散（Dispersion）：色散是指压电陶瓷材料的压电性能随着频率的变化而产生的变化。
了解材料的色散特性可以优化材料的应用。
8.应力-应变曲线（Stress-strain curve）：应力-应变曲线描述了在施加外力或压力时，材料的应力和应变之间的关系。
通过绘制应力-应变曲线，可以获得材料的力学性能。
9.电化学稳定性（Electrochemical stability）：压电陶瓷材料应具有良好的电化学稳定性，以确保其在一定电压或电流下不发生电化学反应。
陶瓷材料的电学性能研究
陶瓷材料的电学性能研究随着科技的发展和应用的广泛，人们对材料的要求也变得越来越高。
陶瓷材料作为一种重要的结构材料，在电子、能源等领域扮演着重要角色。
本文将探讨陶瓷材料的电学性能研究，着重介绍其导电性和电介质性能。
一、导电性研究陶瓷材料的导电性研究主要包括导电机理、导电性能评价以及改善导电性能的方式等方面。
其中，陶瓷的导电机理是了解其导电性能的基础。
根据陶瓷导电机理的不同，可以将陶瓷导电性分为电子导电和离子导电两种类型。
电子导电是指通过自由电子在材料中传导电流的过程。
金属陶瓷是典型的电子导电材料，其导电机制主要是通过导带中的自由电子，而陶瓷晶体结构中的价电子是与禁带中的束缚能级联系密切的。
离子导电则是指离子在材料中的迁移导致电流产生的现象。
氧化物陶瓷常常表现出较好的离子导电性能，这对于电解物质、固体氧化物燃料电池等电化学器件的研究具有重要意义。
在导电性能的评价中，关注的焦点主要是电阻率和导电机理。
电阻率是导体材料电阻特性的量化指标。
通常，电阻率越低，材料导电性能越好。
导电机理的研究能够进一步深入了解材料本质，为改善导电性能提供理论基础。
提高陶瓷材料导电性能的方式有很多。
一种常见的方法是掺杂。
通过在陶瓷导体中引入适量的杂质原子，可以调整导体的电荷密度以改变其导电性能。
此外，还可以通过物理或化学方法制备高可导陶瓷导体，例如利用溶胶-凝胶法合成导电硅氧烷材料等。
二、电介质性能研究与导电性研究相比，电介质性能研究更加广泛和复杂。
电介质是指不导电的材料，在电场作用下能够储存电荷和产生电位差的能力。
电介质性能的研究主要包括介电常数、介电损耗、耐电压和能量储存等方面。
介电常数是表征电介质储存电荷能力的一个重要参数。
高介电常数意味着电介质能够储存更多的电荷，并具有更高的电容效果。
而介电损耗则是衡量电介质的能量损耗情况。
通常情况下，介电损耗越小，电介质材料越适合用于电子器件。
耐电压是指电介质能够承受的最大电场强度。
压电陶瓷各类参数的测试
第二章压电陶瓷测试2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试2.4.1 NBT基陶瓷的极化1. 试样的制备为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。
烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。
电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。
首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。
然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。
将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。
2. NBT基压电材料的极化利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。
极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。
经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。
对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。
决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。
为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。
2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试1．压电振子及其等效电路图2.11 压电振子的等效电路利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。
(完整版)实验二：压电材料的压电常数d33测试
F F F-++-F Q压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能图2 压电效应的可逆性压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。
大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。
2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。
多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。
为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。
图3 陶瓷极化过程示意图 图4 束缚电荷与自由电荷排列示意图所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。
如图3所示。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。
如图4所示。
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。
当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力成正比例关系33q d F （1）其中33d 是压电陶瓷的压电系数，F 为作用力。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
压电陶瓷压电性能测定实验报告
广东工业大学实验报告学院电子科学与技术（电子信息材料及元器件）专业班成绩评定学号姓名（号）教师签名十二题目：压电陶瓷压电性能测定第周星期一、实验目的iv. 了解压电常数的概念和意义；v. 掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。
vi. 学会操作ZJ-3AN 型准静态d33 测量仪。
二、实验内容1. 实验老师介绍使用压电常数测量仪测试d33 的原理与步骤；2. 测试压电陶瓷的压电常数。
三、实验（设计）仪器设备和材料清单ZJ-3AN 型准静态d33 测量仪、压电陶瓷晶片等。
四、实验原理压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是一种具有压电效应的材料。
当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“正压电效应”。
逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。
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。
通常用d ij 表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。
五、实验步骤1. 用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源；2. 把Φ20 尼龙片插入测量头的上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止；3. 把仪器后面板上的“显示选择” 开关置于“d33” 一侧，此时面板右上方绿灯亮；4. 把仪器后面板上的“量程选择” 开关置于“×1” 档；5. 按下“快速模式”，仪器通电预热10 分钟后，调节“调零” 旋钮使面板表指电子科学与技术专业实验指导书126示在“0” 与“-0” 之间跳动。
调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。
6. 依次接入待测元件，表头显示d33 结果及正负极性，记录于表12-1。
7. 取三次测量的平均值。
六、实验数据测试与记录。
PZT陶瓷的压电性能测试实验报告
测量头原理示意图
4. PZT压电陶瓷d33的测量
4. PZT压电陶瓷d33的测量
3.操作方法
3.1 测试前的准备工作
3.1.1 用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。 3.1.2 把附件盒内的Φ20尼龙片插入测量头得上下探头之间，调节 手轮，是尼龙片刚好压住为止。 3.1.3 把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一侧，此时 前面板上右上方绿灯亮。 3.1.4 仪器后面板设有“量程选择”开关，可根据需要选择。一般 置于“×1”档即可，如材料的d33值较低可置于“×0.1”档；但两档要 分别为零。 3.1.5 按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“凋零” 旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动，跳动即完成，撤掉尼龙片 开始测量。凋零一律在“快速模式”下进行，为减少测量误差，在测 量过程中零点如有变化或换档时，需要从新凋零。
快速模式即连续测量，被测元件均为极化后已放置一点时间并已彻 底放电后的试样，此时“放电提示”红色发光二极管闪烁，随时提醒 操作人员首先对压电元件放电后再进行测量，以避免损坏仪器。选择 “快速模式”测量，每更换一个被测元件，表头会迅速显示d33结果及 正负极性。
3.4“安全模式”测量
对于刚刚极化完的压电试样，在短时间内，即使多次放电也很难彻 底放完，压电试样上仍然会存在少则几千伏，多则几万伏的电压。选 择“安全模式”可使仪器在测量过程中能自动对被测元件进行放电， 以确保仪器安全。在插入被测试样后，放电过程开始并自动完成，此 时表头指示为零，按下“测量触发”键，表头才能显示出测量结果。 每测一只元件，都要重复一次上述过程。在“安全模式”状态下， “放电提示”指示灯熄灭，“测量触发”按钮内的绿色发光二极管一 直点亮。
PZT压电陶瓷的制备及其d33 的测试
压电陶瓷材料的性能测试和应用研究
压电陶瓷材料的性能测试和应用研究压电陶瓷材料：性能测试和应用研究概述压电陶瓷材料是一种具有压电效应的陶瓷材料，原理是在外加电场作用下会产生形变，反之，在受到机械应力的作用下也会产生电荷的积累。
由于其天然抗腐蚀性和高耐磨性，在众多领域都有广泛的应用，如声波传感器、压力传感器、可调谐滤波器等。
性能测试压电陶瓷材料的性能测试主要包括压电性能、介电性能、机械性能等。
压电性能是评估压电陶瓷材料性能的最重要指标之一，是描述材料能量转换效率的指标。
常用的压电系数包括短路压电系数$d_33$，开路压电系数$d_31$等。
在测试中，通常使用震荡器和电荷放大器来测量，通过调节频率和电极间距来测量压电系数。
介电性能是指压电材料在电场下的电容率和损耗因子。
在实际应用中，学者和工程师会考虑介电响应时间和介电滞后等因素。
介电性能的主要测试方法是测试材料的电容量和介电损耗，通过调整电源电压和频率来改变测试条件。
除了压电性能和介电性能外，机械性能也是评估压电陶瓷材料质量的一个关键指标，包括材料的硬度、弹性模量、磨损和断裂韧性等。
硬度测试通常使用维氏硬度计，磨损测试可使用磨损试验机，断裂韧性则可通过在试样上施加负载来测试材料的压缩、拉伸和弯曲分别使用。
应用研究压电陶瓷材料在许多领域中都有广泛的应用，如声波传感器、可调谐滤波器和振动器等。
下面将重点介绍它们在可调谐滤波器和声波传感器上的应用。
压电陶瓷材料的可调谐滤波器在移动通信、军事等领域中有重要的应用。
可调谐滤波器的主要作用是帮助减少选频器中的失真，它可以自动调整石英谐振器，帮助减小干扰和降低噪音水平。
当前，在移动电话和移动网络中普遍采用压电陶瓷材料制成的可调谐谐振器。
压电陶瓷材料在声波传感器，无线感应器和控制器等领域中同样有广泛的应用。
声波传感器通常使用压电陶瓷制成，以提高传感器的性能，同时还可以在多频段中工作。
压电材料的应力和变形可以被电极捕获并检测，以便测量气体、液体或固体的速度。
陶瓷电性能的测定(压电陶瓷d33的测定)-同济大学(精)
ZJ－3AN准静态d33测量仪面板
4、按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调 节“调零”旋钮使面板指示在“0”与“－0”之间跳 动，调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。调零一律 在“快速模式”下进行。
5、“快速模式”测量即连续测量，被测元件均为极 化后已放置一定时间并已彻底放电后（48小时） 的试样，此时“放电提示”红色发光二极管闪烁， 随时提醒操作人员首先对压电元件放电后再进行 测量，以避免损坏仪器。选择“快速模式”测量， 每更换一个被测元件，表头会迅速显示d33结果及 正负极。
2、静态法：操作比较简单，还能同时测出被测试样的压电常数值 和极性，但对被测试样的形状、尺寸要求也比较苛刻，特别是 由于静态法测量中所施加的作用力较大以及压电材料固有的非 线性现象和热释电效应，造成测量误差较大，测试结果可信度 差。
3、准静态法：保留了动态法和静态法测量的优点，对被测试样形 状尺寸的要求放得很宽（片状、柱状、条状、圆管状、圆环状 甚至是半球壳等各种形状、尺寸的试样均能测量），其实用性 更强。此外还具有测量范围宽，分辨率细，可靠性高，操作简 单快捷等诸多特点。
陶瓷电性能的测定
（压电陶瓷d33的测定）
压电常数d33是压电陶瓷重要的特性参数 之一，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 或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映 了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
一、测试方法：
1、动态法：压电常数精度高，但对被测试样的形状、尺寸有严格 的限制，测量方法也非常烦琐，同时还存在无法测得试样极性 的缺陷；
实验十一 压电陶瓷介电性能测定-2015-4-13日修改
实验十一 压电陶瓷介电性能测定实验名称: 压电陶瓷介电性能测定 实验项目性质: 普通实验 所涉及课程: 电子材料 计划学时: 2学时 一 、实验目的1. 通过实验了解电介质介电常数与介质损耗角正切tgδ 的概念和物理意义；2. 熟悉用LCR 型电桥测量电容器的电容量及介质损耗角正切的方法；3. 通过实验了解不同类型的介质材料其tgδ随频率的变化特性。
二、实验内容1.实验老师介绍使用TH2810B 系列LCR 型电桥；2.测试压电陶瓷的介电常数。
三、实验（设计）仪器设备和材料清单TH2810B 系列LCR 型电桥、压电陶瓷晶片、千分尺等。
四、实验原理根据电介质理论, 各种电介质在电场作用下都要发生极化过程, 其宏观表现可以用电介质的介电系数来表征。
不同类型的介质材料, 由于发生极化的微观机制不同, 不仅数值有明显差别, 而且与频率的关系也有很大不同。
同样地, 由于产生介质损耗的来源不同, 各类电介质的tg δ数值及其与频率的关系都表现出各不相同的特点。
实验时, 选用要测定的电介质制成电容器作为测量样品, 利用LCR 电桥直接测定电容量和损耗角正切值的大小以及与频率的关系, 研究介质的极化特性。
在已知样品直径（d ）和电介质厚度（t ）的条件下, 由公式204/r Ct d επε=--C-电容（F ）, t 样品厚度（m ）, d-样品直径（m ）, ε0-真空介电常数8.85×10-12（F/m ）。
就能计算出相应的介电系数 。
测试不同频率下电介质的介电系数和损耗角正切tg δ, 常用电桥法, 其工作原理如图11-1所示。
将试样等效成电容CX 和电阻RX 并联, 调节R4和CN, 使电桥平衡, 根据平衡条件可求得:改变测试频率, 可获得不同频率下的介电系数和损耗角正切。
其中CN 、R3为已知标准平衡元件。
图11-1 电桥法测试原理五、实验步骤利用TH2810B系列LCR型电桥测试。
压电陶瓷材料实验报告
一、实验目的1. 了解压电陶瓷材料的基本特性和应用领域。
2. 掌握压电陶瓷材料的制备方法及性能测试技术。
3. 分析压电陶瓷材料的性能与结构之间的关系。
二、实验原理压电陶瓷材料是一种具有压电效应的无机非金属材料，其基本原理是在外部机械力的作用下，内部产生电荷，从而实现机械能与电能之间的相互转换。
压电陶瓷材料具有高介电常数、高介电损耗、高压电系数等特性，广泛应用于声学、光电子、传感器、驱动器等领域。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷材料。
2. 实验仪器：（1）高温烧结炉：用于压电陶瓷材料的烧结。
（2）X射线衍射仪（XRD）：用于分析压电陶瓷材料的晶体结构。
（3）扫描电子显微镜（SEM）：用于观察压电陶瓷材料的微观结构。
（4）压电系数测试仪：用于测试压电陶瓷材料的压电系数。
（5）介电性能测试仪：用于测试压电陶瓷材料的介电常数和介电损耗。
四、实验步骤1. 压电陶瓷材料的制备（1）将PZT粉末与适量粘结剂混合，制成浆料。
（2）将浆料涂覆在陶瓷基板上，形成压电陶瓷薄膜。
（3）将压电陶瓷薄膜放入高温烧结炉中，进行烧结，烧结温度为850℃左右，保温时间为2小时。
2. 压电陶瓷材料的性能测试（1）X射线衍射分析：对烧结后的压电陶瓷材料进行XRD分析，确定其晶体结构。
（2）扫描电子显微镜分析：对压电陶瓷材料进行SEM分析，观察其微观结构。
（3）压电系数测试：利用压电系数测试仪测试压电陶瓷材料的压电系数。
（4）介电性能测试：利用介电性能测试仪测试压电陶瓷材料的介电常数和介电损耗。
五、实验结果与分析1. X射线衍射分析（1）通过XRD分析，确定压电陶瓷材料的晶体结构为PZT相。
（2）分析压电陶瓷材料的晶体结构特点，如晶胞参数、晶粒尺寸等。
2. 扫描电子显微镜分析（1）通过SEM分析，观察压电陶瓷材料的微观结构，如晶粒尺寸、晶界、孔隙等。
（2）分析压电陶瓷材料的微观结构对性能的影响。
3. 压电系数测试（1）测试压电陶瓷材料的压电系数，确定其性能。
陶瓷电性能的测定 (压电陶瓷d33的测定)
3、准静态法：保留了动态法和静态法测量的优点，对被测试样形 状尺寸的要求放得很宽（片状、柱状、条状、圆管状、圆环状 甚至是半球壳等各种形状、尺寸的试样均能测量），其实用性 更强。此外还具有测量范围宽，分辨率细，可靠性高，操作简 单快捷等诸多特点。
二、实验原理：
仪器发出电驱动信号，使测试头内的电磁驱动
四、实验步骤：
1、用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接 通电源。 2、把附件盒内的Φ20尼龙片插入测量头的上下探头 之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。 3、把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一 侧，此时前面板右上方绿灯亮；“量程选择”开关 一般置于“×1”档即可。 4、按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调 节“调零”旋钮使面板指示在“0”与“－0”之间跳 动，调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。调零一律 在“快速模式”下进瓷电性能的测定
（压电陶瓷d33的测定）
压电常数d33是压电陶瓷重要的特性参数 之一，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 或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映 了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
一、测试方法：
1、动态法：压电常数精度高，但对被测试样的形状、尺寸有严格 的限制，测量方法也非常烦琐，同时还存在无法测得试样极性 的缺陷； 2、静态法：操作比较简单，还能同时测出被测试样的压电常数值 和极性，但对被测试样的形状、尺寸要求也比较苛刻，特别是 由于静态法测量中所施加的作用力较大以及压电材料固有的非 线性现象和热释电效应，造成测量误差较大，测试结果可信度 差。
部分产生一个约0.25牛顿，频率为110赫兹的低频
交变力，通过上下探头加到被测试样和内部的比较 样品上，由于两者在力学上串联，因而所受到的交 变力相等。由正压电效应产生出的两个压电电信号 再由仪器处理后，即显示其d33值和极性。
压电陶瓷的性能参数解析_1
压电陶瓷的性能参数解析制造优良的压电陶瓷元器件，通常要对压电陶瓷性能提出明确的要求。
因为压电陶瓷性能对元器件的质量有决定性的影响。
因此，要讨论和认识压电陶瓷的元器件，就必须首先要了解压电陶瓷的性能参数与量度方法。
压电陶瓷除了具有一般介质材料所具有的介电性和弹性性能外，还具有压电性能。
压电陶瓷经过极化处理之后，就具有了各向异性，每项性能参数在不同方向上所表现的数值不同，这就使得压电陶瓷的性能参数比一般各向同性的介质陶瓷多得多。
压电陶瓷的众多的性能参数是它被广泛应用的重要基础。
（1）介电常数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(1-1)式中，各参数的单位为：电容量C为F，电极面积A为m2，电极间距t为m，介电常数ε为F/m。
有时使用相对介电常数εr（或κ），它与绝对介电常数ε之间的关系为εr=ε/εo(1-2)式中，εo为真空（或自由空间）的介电常数，εo=8.85×10- 1 2（F/m），而εr则无单位，是一个数值。
压电陶瓷极化处理之前是各向同性的多晶体，这是沿1(x)、2(y)、3(z)方向的介电常数是相同的，即只有一个介电常数。
经过极化处理以后，由于沿极化方向产生了剩余极化而成为各向异性的多晶体。
此时，沿极化方向的介电性质就与其他两个方向的介电性质不同。
设陶瓷的极化方向沿3方向，则有关系即经过极化后的压电陶瓷具有两个介电常数ε11和ε33。
由于压电陶瓷存在压电效应，因此样品处于不同的机械条件下，其所测得的介电常数也不相同。
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT 表示，上角标T表示机械自由条件。
在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。
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MU EI
=
-
ML EI
( 8)
由式( 8) 可得
MU = ML = M
( 9)
在分隔面上由弯矩和力的关系式
M U + M L = FH
( 10)
有
F=
2M H
( 11)
将式( 9) 代入式( 5) 得( 其中 I =
BH 12
3
)
:
M=-
d31E3 BH
8s
E 11
( 12)
将式( 12) 代入式( 8) 得:
( Solid M echanic Center of BeiHan g U niversit y, Beij in g 100083, China)
Abstract: W ith the deflectio n of piezoelectr ic bimorphs under a cer tain voltage field and test data w hich were g ot
关键词: 压电陶瓷; 双层压电梁; 挠度; 电学性能参数; 激光测振仪 中图分类号: O 348. 11; V 249. 121 文献标识码: A
Evaluation of the Electric Parameters of Piezoel ectric Materials
ZHAO Shou-gen, CHENG Wei
d31 = (
D T
3 1
)
E=
(
S E
1 3
)
T
( 18)
图 5 静态参数法装置示意图 F ig . 5 D ev ices of the static state metho d
动态方法测量压电陶瓷片在动态电场下的机械
导纳或者位移和动态电容响应来逆推导出压电陶瓷
片的参数, 具体实施过程可参照文献[ 1, 4～6] 。
本文方法相对传统的压电参数测量的静态法、 动态线路传输法和动态电容法减少了许多的中间测 量环节和等效处理手段, 且易于具体实施, 相对于动 态位移法精度好, 为压电陶瓷类材料的电学性能参 数的测量提供了一种新的测量方法。
参考文献:
[ 1] 张沛 霖, 张 仲渊 . 压电 测量[ M ] . 北京: 国防工 业出版 社, 1983.
压电陶瓷材料因其能耗低, 响应快, 刚度大, 易 于控制, 可粘贴于本体结构表面或可嵌入本体结构 内部, 生产工艺较成熟等优点, 在智能结构中得到了 广泛的应用。不同厂家采用不同工艺或不同原料配
式中 T i 为应力张量; Si 为应变张量; En 为电场矢 量; D m 为电位移; sEij 为常电场柔度系数; din 为常应力 压电应变系数; Tmn为常应力介电常数。
动态线路传输法及动态位移法的试验实测结果的比
较。
表 1 3 种方法测量 d31的比较( / pm ·V - 1 )
T able 1 3 different measur emant s for d 31
本文方法
线路传输法[ 5, 6]
动态位移法[ 5,6]
220. 1
224. 5
232. 4
5 结束语
第 27卷 第 2期 20 05年4月
压 电 与 声 光 P IEZOEL ECT R ICS & A COU ST O OPT ICS
文章编号: 1004-2474( 2005) 02-0200-03
V ol. 27 N o. 2 A pr. 2005
压电陶瓷材料电学性能参数测量研究
赵寿根, 程 伟
20 2
压 电 与 声 光
2005 年
3 测量试件
测试所用试件的几何尺寸为 50 mm ×2. 0 mm ×0. 3 mm 。测试的电压环境为 0～700 V, 测试 V 为 50 V, 一共测试三个样本。单压电梁试件和双层 压电梁的实物图如图 4 所示。
图 4 单压电梁试件和双层压电梁的实物图 Fig. 4 N atur al fig ur es of piezoelectric bimor phs
w ′=
3d31E3 x 2H
+
a
w=
3d3 1E3x 2 4H
+
ax +
b
( 13)
由夹持梁的边界条件:
w ′x = 0 = 0, w x = 0 = 0
可得
a= 0 ( 14)
b= 0 从而压电梁的转角和挠度表达式为
W ′=
a=
3d31 E3x 2H
w=
3d31E3 x 2 4H
( 15)
将 E3 的表达式代入式( 15) 可得
[ 5] 陈 伟民, 管 德 . 压电 陶瓷 受迫 振动 分析 及其 应用 [ J] . 北京航空航天大学学报, 2001, 27( 1) : 66-68.
4 本文方法与其他方法的比较
目前压电陶瓷电学参数 d31 的测量方法分为静 态法和动态法两类。其中静态法包括标准静态法和
准静态法; 动态法包括动态线路传输法、动态位移法 和动态电容法。
图 5 为静态参数法的常用装置示意图。静态法
是在不受夹持的压电陶瓷片的 z 方向上施加一个恒 力 F( 或电场) , 测试测量试件所产生的电荷( 或应 变) , 压电参数 d 31为
在这些方法中, 静态法、动态路线传输法和动态 电容法在处理方法上采取了一些等效的手段, 从而
引入了相当的测量误差; 动态位移法在处理过程中
涉及到阻尼参数的测量, 而通常阻尼参数不易准确 测量, 从而使得该方法存在误差隐患。本文方法从压
电梁在电场下的解析式出发得到压电陶瓷的电学性
能参数, 克服了以上方法的缺陷。表 1 为本文方法和
z
dA
=-
EI
d2 w dx 2
( 6)
得曲率的关系式为
1 R
=
w ″= -
M EI
( 7)
∫ 式中 w 为梁 z 方向的位移, …dA 为对整个剖面 A
∫ 的面积积分, I = z 2dA 剖面绕 y 轴的惯性矩。 A 假 设上下梁单元的弯曲曲率相等, 根据梁平剖
面假设, 可得
w ″=
1 R
=
-
电材料参数中, 横向压电系数 d31是驱动元件的关键 参数。本文作者从双层压电梁在电场作用下位移响
应与电场的解析式出发, 逆推导出压电陶瓷材料的
电学性能参数。本文方法相对压电参数测量的静态 法、动态线路传输法[ 1～ 3] 和动态电容 法[ 4] 减少了许 多中间测量环节和等效处理手段, 且易于具体实施, 相对于动态位移法又有更好精度[ 5, 6] 。
图 2 激光测振仪工作原理示意图 F ig . 2 T he schematic diagr am of T he L aser v ibr ometer
其余的测量设备还包括 0～1 500 V 可调电压 源等。整个系统的测量示意图如图 3 所示。
图 3 压电陶瓷电性能参数测量系统示意图 F ig. 3 T he test system of piezoelectric ceramic materials
[ 2] 李 远, 秦自楷 . 压电与铁电材 料的测量 [ M ] . 北 京: 科学出版社, 1984.
[ 3] GB3389. 2-82. 准静 态压 电陶瓷 压电 应变常 数的 测试 方法[ S] .
[ 4] 程 明, 叶会英 . 一 种由压电双晶片测 量压电材料参 数 的 动态 方 法 [ J] . 电子 测 量 与 仪 器 学 报, 2000, 14 ( 4) : 64-69.
第 2 期
赵寿根等: 压电陶瓷材料电学性能参数测量研究
2 01
S
U 1
=
sE11T U1 +
d 31E 3
D
U 3
=
d
31
T
U 1
+
T 3
E
3
( 3)
下梁( 用上标 L 表示) 压电方程为:
S
L 1
=
sE11
T
L 1
-
d 31E 3
D
L 1
=
-
d
31
T
L 1
-
T 3
E
3
( 4)
其中 E = -
1 电学性能参数测量原理
压电材料的压电方程为[ 2]
Si= sEijT j + dinEn i, j = 1, 2, …, 6
Dm= dmj Tj +
T m
nE
n
m
,
n=
1,
2,
3
( 1)
图 1 压电梁示意图 Fig. 1 Piezoelectric bimor phs
由于 E 1= 0、E 2= 0, 所以 T 4 = 0、T 5 = 0 和 T 6 =
能参数 d 31。
2 测量装置
本文采用德国 Poly tec 公司生产的激光测振仪 作为测量主要工具, 其型号为 OFV 3001S。它是一种 光纤位相型调制传感器, 一种可非接触式测量振动 速度和位移的仪器, 测量头的型号为 OF V055, 位移 解码器的型号为 VEX020。该激光测量仪速度量程 为 0. 3～±10 m/ s, 位移精度为 2 nm。其测试原理如 图 2 所示。
( 北京航空航天大学 固体力学研究所, 北京 100083)
摘 要: 从双层压 电梁在电场作用下 的位移响应与 电场的关 系式出发, 借助于 试验数据逆 推导出压 电陶瓷材 料的电学性能参数。位移响应的试验数据采用非接触激光测振仪得到。该文方法相对压电 参数测量的静态法、动态 线路传输 法和动态电容法减 少了许多中间测量 环节和等效 处理手段, 且易于 具体实施, 相对于 动态位移 法又有更 好的精度, 为压电陶瓷类材料电学性能参数测量提供了一种全新的测量方法。