压电陶瓷材料性能表
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。
PZN_PZT压电陶瓷及其PVDF压电复合材料的制备和性能
文章编号:100023851(2002)0320070205收稿日期:2001210217;收修改稿日期:2001211223基金项目:国家自然科学基金资助项目(50072001)作者介绍:李小兵(1974),男,博士,主要从事压电复合材料方面的研究。
田 莳(1938),男,教授,主要从事压电复合材料研究。
PZN -PZT 压电陶瓷及其PV D F 压电复合材料的制备和性能李小兵,田 莳,李宏波(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083)摘 要: 采用固相烧结法合成了PZ N 2PZT (铌锌锆钛酸铅)三元系压电陶瓷烧结块材和粉末,并采用XRD 、SE M 等测试方法对其结构和性能进行了分析。
PZ N 2PZT 常压烧结陶瓷具有优良的压电性能,PZ N 2PZT 颗粒粒径在0.5～4Λm 之间,颗粒形态不太规整。
采用溶液共混法将PZ N 2PZT 粒子均匀分散于PVD F 基体中,制备了PZ N 2PZT PVD F 023型压电复合材料。
研究了PZ N 2PZT 质量分数、极化电场等因素对该压电复合材料压电和介电性能的影响。
实验结果表明,选用压电活性更高的压电陶瓷粉末进行复合,可有效提高压电复合材料的压电性能。
增加PZ N 2PZT 质量分数、提高极化电压均有利于复合材料压电性能的提高。
关键词: PZ N 2PZT ;固相烧结法;压电复合材料;溶液共混法中图分类号: TB 39 文献标识码:APREPARATI ON AND PR OPERTI ES OF PZN -PZT P I EZ OE L ECTR I C CERA M I CSAND PZN -PZT PV D F P I EZ OE L ECTR I C COM POSI TESL I X iao 2bing ,T I A N Sh i ,L I Hong 2bo(School of M aterials Science and Engineering ,Beijing U niversity of A eronautics and A stronautics ,Beijing 100083,Ch ina )Abstract : T ernary syste m p iezoelectric cera m ic m aterials PZ N 2PZT [Pb 0.955L a 0.03(Zn 13N b 2 3)0.3Zr 0.37T i 0.33O 3]and their pow dersw ere fabricated using s olid state sintered technol ogy .T heir structure and p roperties w ere studied by XRD and SE M .PZ N 2PZT cera m ics synthesized by the traditi onal sin 2tered m ethod contain w ell p iezoelectric p roperties.T he dia m eters of PZ N 2PZT pow ders are betw een 0.5～4Λm ,and the shape is irregular .PZ N 2PZT particles w ere incorporated into PVD F polym er m a 2trix homogeneously th rough s oluti on blended p rocess to fo r m PZ N 2PZT PVD F 023composite th in fil m s.T he effects of the cera m ic m ass fracti on and po ling electric field on the p iezoelectric and dielec 2tric p roperties of the p iezoelectric composites w ere studied .T he results show that the p iezoelectric p roperties of the composites could be i m p roved effectively th rough choosing the cera m ics containing better p iezoelectric p roperties as the filler .T he sa m e effects can be m ade w ith the increasing of PZ N 2PZT m ass fracti on and poling field .Key words : PZ N 2PZT ;s o lid state sin tered technol ogy ;p iezoelectric composites ;s oluti on blended p rocess 将具有强压电效应的压电陶瓷与柔性良好的压电聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比例、一定的空间几何分布进行复合,可以使两种材料优势互补,获得既具有较强压电性又具有良好韧性的综合性能优异的压电复合材料。
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造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作， 产生交变的机械振动，用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作，产生强烈的机械振动或变形 ，用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料，如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大， 极化程度越高，压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少，性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大，机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数，能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性，可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性，不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性，可以将太阳能转换为电能，提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器，实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景，如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性，制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
pzt压电陶瓷片规格参数
pzt压电陶瓷片规格参数压电陶瓷片是一种复合电介质，以陶瓷介质为基础，以压电铋酸钙和/或铁氧化物为结构组分和/或乙二胺(EDTA)，将三或多个原始无机晶体或分子结构，复合成一种半固态散装材料。
主要用于绝缘电容，以及压电传感器，压电膜，PZT压电陶瓷片等。
PZT压电陶瓷片的规格参数：1. 材料类型：PZT（铌酸钴）复合材料；2. 铁氧体成份：最大值可达30%；3. 铌比例：铌钴为主，最大值可达60%-65%；4. 厚度：常规厚度0.1mm-3mm，4mm-6mm和0.7mm-10mm；5. 尺寸规格：典型尺寸：20m*20mm，50mm*50mm，2"*2"和4"*4"，也可定制；6. 运动应力：最高抗应力可达20KV/mm；7. 绝缘系数：最大值可达10000；8. 温度系数：最高温度可达500℃；9. 电阻率：最小值可达6Ω*cm;10. 芯片：普通芯片类型压电陶瓷片，尺寸按照客户定制；11. 型号：PN-2030压电陶瓷片，它具有豪华外观，坚固耐用；12. 标准：按照JIS,ASTM,IEC标准来生产；13. 电容量：0.1~1.2uf/2.2~10uf/10.0~1000uf/1000~10000uf；14. 电磁感应-> 磁感应熔断：最小的可达18kA/m；15. 力学特性：平衡孔宽，强度高；16. 耐温特性：可耐高温达到500℃；17. 耐化学性能：适用于各种溶解和溶解环境；18. 耐磨损特性：表面硬度可高达1340Hv；19. 材料方向分布：压电陶瓷片具有非均匀的材料方向分布，是多层压电陶瓷结构，其具有抗拉力、抗折弯力等。
20. 电子特性：压电陶瓷片具有高磁性、耐磁变分布特性，并且有一定的电子特性；21. 遗传特性：压电陶瓷片具有较好的遗传性能，具有好的温度稳定性和绝缘性；22. 特殊性能：压电陶瓷片具有可调性良好的特性，可根据用户的不同需求而定制压电陶瓷片。
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33d 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33g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33g 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: 022LL 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。
压电陶瓷材料的主要性能及参数
压电陶瓷材料的主要性能及参数自由介电常数εT33（free permittivity）电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。
相对介电常数εTr3（relative permittivity）介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。
介质损耗（dielectric loss）电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。
损耗角正切tgδ（tangent of loss angle）理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。
即：电学品质因数Qe（electrical quality factor）电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。
若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则 Qe=1/ tgδ=ωCR机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor）压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。
它与振子参数的关系式为：泊松比（poissons ratio）泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示：δ= - S 12 /S11串联谐振频率fs（series resonance frequency）压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即并联谐振频率fp（parallel resonance frequency）压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p =谐振频率fr（resonance frequency）使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。
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
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。
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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。
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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。
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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。
压电陶瓷
第1章绪论1.1 无铅压电陶瓷的研究意义压电陶瓷可以直接实现电能和机械能的转换。
因而被广泛应用在超声换能、无损探伤、传感器、电子信息等高新技术领域，产品涉及汽车、电子、军事、医疗等各个行业[1]。
压电技术的发展对科技的进步，人民生活水平的提高均有重要的意义。
目前，市场上使用最多的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系压电陶瓷材料。
PZT系压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过参杂改性来满足不同的性能要求，因而广受欢迎。
但这些陶瓷中PbO的含量超过60%[2]，而PbO是一种易挥发的有毒物质，其被人体吸收后会在人体内集聚，引起铅中毒，使人的神经系统受到损伤，严重的可能导致脑瘫和肾功能衰竭。
[3]此外，铅基陶瓷在生产、使用过程中以及废弃后的处理过程中都会对环境产生严重危害，并且通过水和食物链进行扩散[4]。
近年来随着人们环保意识的增强，人们越来越意识到铅的危害。
为了人民的身体健康，许多国家已立法禁止使用含铅电子材料。
如欧盟规定到2006年7月1日，所以新生产的电子材料都不能含铅[5]。
但在压电陶瓷方面，铅基陶瓷还无法被取代，故只能把含铅压电陶瓷列在禁止名单之外。
但开发无铅压电陶瓷仍是大趋势。
在国际政策和经济利益以及科学探索精神的共同驱使下，这几年无铅压电陶瓷的研究很热，国内外专家学者都做了大量的探索，并取得了不少进步。
1.2 无铅压电陶瓷分类及研究现状现在在研究的无铅压电陶瓷主要分钙钛矿结构材料和非钙钛矿结构材料。
非钙钛矿结构材料有铋层状结构材料和钨青铜结构材料。
1.2.1 铋层状结构材料铋层状结构铁电体是由二维的钙钛矿层和(Bi2O2)2+层有规则地相负交替排列而成,,化学通式为(Bi2O2)2+(A m-1B m O3m+1)2-,此处,A为Bi3+、Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适合于12配位的+1、+2、+3、+4价离子或由它们组成的复合离子,B为Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+、Mo6+、Co3+、Cr3+、Zr4+等适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子,m为一整数,对应于钙钛矿层厚度方向的原胞数[6].铋层状结构无铅压电陶瓷具有居里温度高, 其中Bi3NbTiO9作为这些材料中居里温度最高的一种，Tc达到914℃，另外它还有介电击穿强度大,介电损耗低,性能各向异性大以及温度、应力性能稳定等特征.所以,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景.但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场EC高., 现有报道的这类材料的d33最高值才25pC/N[7].且介电温度也很低。
参数压电陶瓷材料性能参数
d15
480
460
500
530
710
950
1050
450
6
机械品质因素
Qm
75
500
500
400
70
65
65
800
800
≥
7
频率常数
(Hz·m)
Nd
1950
2250
2200
2200
2000
1940
1950
2350
2300
±5%
N1
1470
1650
1700
1600
1450
1450
1480
1700
陶瓷材料性能序号性能参数名称符号指标允许公差p33p41p42p44p51p52p53p61p811机电耦合系数kp06005605806006506406805305360k31036033034036038037033030031k33070066067070074076076063k15070066067070072075076061066kt0470480480480500490550470472自由相对电容率tr3172510501275135021003250300011001025125tr11725145017001900240035004100110014003介质损耗tg0020000500060005002000200020000800044弹性柔顺常数x1012m2nse111512011513151551511010sd339085808590908885sd55252102102152202302202105压电应变常数x1012mv或cnd31160110130150210260270100125d33390250290320450575590225d1548046050053071095010504506机械品质因素qm755005004007065658008007频率常数hzmnd1950225022002200200019401950235023005n1147016501700160014501450148017001700n318801950205020001900190019001960n5113012301230123012001200120013001230nt2250227023002300225023002300230022808声速msvt300034603500330030003010304035005v129403300340032002900290029003400v337603900410040003800380038003920v522602460246024602400240024002460vt45004540460046004500460047004560序号性能参数名称符号指标允许公差p33p41p42p44p51p52p53p61p8110居里温度tc33531030030026018020032030011十倍时间变化率and020131
压电陶瓷的压电系数
压电陶瓷的压电系数压电陶瓷是一种能够在施加压力或电场时产生电荷分布变化的陶瓷材料，具有压电效应。
压电系数是描述压电效应强度的物理量，是衡量压电陶瓷材料性能的重要指标。
压电系数是指压电陶瓷材料在单位应力或单位电场作用下所产生的电荷分布变化，通常用d表示。
压电系数的大小与材料的晶体结构、化学成分和制备工艺等因素有关。
常见的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛）系列、PMN-PT（铅镁酸铌-铅钛酸钡）系列等。
PZT系列压电陶瓷材料具有良好的压电性能，其压电系数通常在100-500 pC/N之间。
PZT陶瓷材料可以在机械应力或电场的作用下产生电荷分布变化，从而产生压电效应。
这种材料广泛应用于传感器、执行器、声波器件等领域。
PMN-PT系列压电陶瓷材料的压电系数更高，通常在1000-2000 pC/N 之间。
由于其较高的压电系数和良好的机械性能，PMN-PT陶瓷材料在超声换能器、声波传感器、压电驱动器等领域具有广泛应用。
除了PZT和PMN-PT系列，还有其他一些压电陶瓷材料，它们的压电系数不同。
例如，锆钛酸铅（PZ）陶瓷材料的压电系数较低，通常在10-20 pC/N之间。
尽管其压电系数较低，PZ陶瓷材料仍具有一些特殊的应用，如微机电系统（MEMS）和生物医学领域。
压电系数的大小直接影响着压电陶瓷材料的性能。
较大的压电系数意味着在施加相同的压力或电场时，材料所产生的电荷分布变化更大，从而产生更强的压电效应。
压电系数越大，压电陶瓷材料的灵敏度越高，适用于更广泛的应用领域。
压电系数的测量通常采用压电测试仪进行。
在测量压电系数时，需要施加一定的压力或电场，并测量相应的电荷分布变化。
通过计算所施加的应力或电场与电荷分布变化之间的比值，即可得到压电系数的数值。
压电系数是描述压电陶瓷材料性能的重要指标，其大小直接影响着材料的压电效应强度。
压电陶瓷材料的压电系数不同，常见的PZT 和PMN-PT系列具有较高的压电系数，广泛应用于传感器、执行器、声波器件等领域。
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。
压电陶瓷材料的热性能研究
压电陶瓷材料的热性能研究近年来，随着科技的不断发展和进步，压电陶瓷材料在多个领域得到广泛应用，如声波发射、颤振陶瓷转子、微波设备等。
其中，压电陶瓷材料的热性能研究至关重要。
本文将就压电陶瓷材料的热性能进行探讨。
一、热传导特性热传导特性是压电陶瓷材料的重要性能之一。
通过热传导实验，可以研究材料的热导率和热传导模型等。
热传导率是衡量材料传导热的能力指标，它与材料的晶体结构、密度以及热处理等因素密切相关。
研究发现，对于不同的压电陶瓷材料，其热传导率会有所差异。
因此，在实际应用中需要针对具体材料进行热传导特性的研究和分析，以确保所选用的材料能够满足所需热传导的要求。
二、热膨胀性能热膨胀性能是指材料在温度变化下的体积变化能力。
对于压电陶瓷材料来说，热膨胀性能的控制与材料的应变特性以及衰减特性有关。
研究表明，压电陶瓷材料的热膨胀系数与温度呈非线性关系，随着温度的变化，其热膨胀系数也会发生变化。
因此，在设计压电陶瓷材料时需考虑其热膨胀性能，以确保在不同温度条件下材料的可靠性和稳定性。
三、热稳定性热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性能。
对于压电陶瓷材料来说，高温环境下的稳定性对其在实际应用中的可靠性至关重要。
研究发现，压电陶瓷材料的热稳定性与材料的晶体结构、晶粒尺寸以及材料的制备工艺等因素有关。
研究人员通过改变材料的化学成分、添加稳定剂等方式，提高了压电陶瓷材料的热稳定性。
因此，研究压电陶瓷材料的热稳定性，有助于提高其在高温环境下的应用性能。
四、热耐久性热耐久性是指材料在长时间高温环境下的稳定性能。
压电陶瓷材料在实际应用中往往需要长时间地承受高温条件，因此其耐久性成为研究的热点之一。
研究表明，环境中的温度、湿度以及应力等因素对压电陶瓷材料的热耐久性有重要影响。
通过控制这些因素，可以提高压电陶瓷材料的热耐久性。
此外，研究发现，压电陶瓷材料的热耐久性与其微结构和晶体取向等因素也有密切关系。
因此，对压电陶瓷材料的热耐久性进行深入研究，有助于延长其在实际应用中的寿命。
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
PZT陶瓷的压电性能测试实验报告
行星球磨机
手动式粉末压片机
准静态d33测量 仪
3.PZT压电陶瓷的制备
3.2 PZT陶瓷的制备：
球磨 成型及增塑 预烧排塑及烧结
1.使各种原材 料分布均匀， 便于固相反应 的生成 2.使物料粉碎 达到一定的细 度，以利于降 低烧成温度
1.赋予材料可塑 性，便于成型， 使坯件具有较高 的致密度 2.增加瓷料的粘结 性，并减少与模壁 的摩擦力，便于脱 模
预烧温度800℃， 主要目的是排除 粘结剂，并使坯 体有一定的强度 烧结温度1200℃， 烧成好坏标准： 陶瓷收缩情况和 表面裂纹
3.PZT压电陶瓷的制备
3.3 极化：
硅油的作用： 1：保温； 2：绝缘。
温度：110℃ 电极：银浆
4. PZT压电陶瓷d33的测量
1. 实验目的
1.1 了解PZT压电陶瓷的制备过程及注意事项； 1.2 掌握用ZJ-3AN型准静态d33测量仪测量PZT压电陶瓷的d33。
“软”性材料
具有很高的灵 敏度和介电常 数，用于各种 传感器、低功 率电机式换能 器
1.压电材料的简介
1.3 压电材料的极化示意图
压电材料必须经过极化处理后才具有压电效应。对于压电陶瓷来
说，各个晶粒都有较强的压电效应。但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使宏观 极化强度ΣP =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极化处理，使ΣP ≠0，才能对外显示压 电效应。
PZT压电陶瓷的制备及其d33 的测试
实验类型：综合设计
1.压电材料的简介
1.1 压电效应
正压电效应
逆压电效应
正压电效应
机械能
逆压电效应
电能
1.压电材料的简介
1.2 压电材料
压电陶瓷的性能参数解析
示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。
沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变
S1，而在方向2上产生应变S2，由（1-5）式不 难得出
S1=S11T1
(1-7)
S2=S12T1
(1-8)
上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比，即
(1-9) 它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。 同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。极化过的压电陶瓷，其独立的弹性顺度
D=Q/A=dT
(1-15)
式中，d的单位为库仑/牛顿（C/N）
这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨
胀或为收缩取决于样品的极化方向。
S=dE
(1-16)
式中，d的单位为米/伏（m/v）。
上面两式中的比例常数d称为压电应变常数。对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的，即有关
（1-3）
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。由于在机械自由条 件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电
常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2） 介质损耗
介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所
具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质所积
压电陶瓷性能参数解析
式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，IR大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。通常用tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。
???处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。
???对于一般的固体，应力T只引起成比例的应变S，用弹性模量联系起来，即T=YS；压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷。其所产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，用介质电位移D（单位面积的电荷）和应力T（单位面积所受的力）表示如下：
???D=Q/A=dT(1-15)
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。
T3,S1=S2,S3
Kp
垂直于3方向的圆片的径向振动，3面电极
T1=T2,S1=S2,S3
Kt
平行3方向的圆片的厚度振动，3面电极
T1=T2;T3;S2
K15
垂直于2方向的面内的切变振动，1面电极
[工学]铋层状压电陶瓷的性能
![[工学]铋层状压电陶瓷的性能](https://img.taocdn.com/s3/m/43aedeff846a561252d380eb6294dd88d0d23dce.png)
铋层状结构化合物中许多具有铁电性,如Bi4Ti3O12、Sr2Bi4Ti4O15、(Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15、Bi3TiNbO9、Bi2WO6等,这类铁电压电陶瓷具有下列特点：1.介电常数(ε)低(127～154),自发极化强,居里温度高(T C>500℃)，机械品质因数Q m高(2000～7200),矫顽场高。
因此,可用于制作高温高频和超声技术领域器件的压电材料；介电损耗低,厚度振动的机电耦合系数k t较小,故可用于高频窄带滤波器；压电性能稳定、谐振频率的时间和温度稳定性好,这一特点适合用于制作高温能量转换领域的器件。
这一大体系是一类适合在高温场合下器件应用的压电陶瓷材料,是最具有开发应用前景的无铅压电陶瓷体系之一。
2.这类陶瓷具有居里温度(T C)高(>500℃)，机电耦合系数各向异性明显,机械品质因数(Q m)高(2000～7200),老化特性好,电阻率高,介电击穿强度大等特征,适合于制作高温、高频工作条件下的压电元器件。
3.介电常数低、自发极化强(如Bi4Ti3O12的自发极化强度约为50μC/cm2)、居里温度高、压电性能和介电性能各向异性大、电阻率高、老化率低、谐振频率的时间和温度稳定性好、机械品质因数较高和易烧结等。
因此,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景。
但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场高4.低的介电常数、高居里温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、大的介电击穿强度、低烧结温度，然而这类陶瓷有两个缺点：一是压电活性低, 这是陶瓷应用的致命弱点，也是研究的难点和热点，这是由于晶体结构特性决定其自发极化转向受二维限制所致；二是Ec 不高，不利于极化，应用在陶瓷显示器中铁电发射性能就差，这通常可通过高温极化来提高Ec。
5.由于秘层状结构材料具有很多优越的性能,例如低介电常数、高居里温度、机电藕合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、高的介电击穿强度、低烧结温度等引起了人们广泛的关注。
压电陶瓷性能及PZT制备工艺
压电陶瓷性能及PZT 制备工艺王幸福 无机非金属材料工程 摘要：简单综述了压电陶瓷的性能及锆钛酸铅压电陶瓷制作方法 性的机理和作用。
以及压电陶瓷PZT 未来发展的前景。
关键词：锆钛酸铅；制作方法。
引言锆钛酸铅一 Pb(Zr ，Ti)0 3：(PZT)是一种具有多种应用功能的钙钦矿型 ABO3结构铁电材料，是由铁电相PbTiO3(Tc=490 °C )和反铁电相 PbZrO3(Tc=230 C )组成的固溶体。
PbZrO3 一 PbTiO3:系固溶体(PZT)相图 中，在x 约为0.52 — 0.53附近存在一个铁电四方相(FT)和菱形相(FR)的交界区，就是我们通常称之为的 准同型相界(MPB)o 在PZT 的MP 吐具有高的压电和介电特性， 具有高的的居里温度，因此受到国内外相关 研究者的广泛重视，使之成为迄今为止，应用最广的压电陶瓷材料。
一、PZT 压电陶瓷结构特征及特点1.1钙钛矿结构特征PZT 陶瓷是指锆钛酸铅(PbZr x Ti1 - xO3 , PZT) 陶瓷，它是ABO3型钙钛矿(perovs kites) 结构,Zr ,Ti 处于氧八面体的中心,Pb 处于氧八面体的间隙。
单元结构如图 1所示［1］o•直 Qo图1.1钙铳矿的立方晶胞Fig. 1.1 The cubic tryslal ctdi uTperovskite1.2锆钛酸铅(PZT)结构特点PZT 压电陶瓷是属于钙钦矿结构的压电晶体。
向PbTIO3:中掺入Zr 形成锆钛酸铅(PZT)陶瓷材料，用 途广泛。
Ti 与Zr 在结构中呈完全类质同像，但 Z/rTi 比值不同使材料的结构也不同，在铁电四方和三方相界附近，PZT 材料具有优良的压电、介电和热电性能。
锆钛酸铅固溶体相图如图1.4所示［2］，在相变温 度以下，当错/钦比z/rTi=53/47 时，存在一条准同型相界。
准同型相界的右边 (富钦一边)为四方晶相，左 边(富错一边)为三方晶相。