特种陶瓷第五讲压电陶瓷(ppt)
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酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值， 但有易溶解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
3）.压电陶瓷
并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶 瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称 中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳 酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。
1954年美国B·贾菲等人 3(PZT)固溶体系统 。
，发现了压电PbZrO3
-PbTiO
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。
压电材料的主要特性参数
➢ 压电常数 ➢ 弹性常数 ➢ 介电常数 ➢ 机电耦合系数 ➢ 电阻 ➢ 居里点
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：
D3 d33T3
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。
机电耦合系数K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。
对于自发极化而言，从宏观 统计来看，晶体中存在着各 个方向的自发极化，它们相 互抵消，宏观上对外不呈现 极性。
③铁电陶瓷 (Ferroelectric Ceramics)
某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而 且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材 料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶 瓷材料称为铁电陶瓷.
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：
K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械能
转换时输入的总电能
或
K2
通过正压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
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。
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 乘积为一个常数，即频率常数。
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩 余极化强度；Ec矫顽电场。
压电效应及材料
1、压电效应
对某些晶体施加机械力而引起它们内部正负电 荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两 端表面内出现符号相反的束缚电荷。
在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆 关系，这种现象称为正压电效应（压→电） 。
(a)不受外力
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：
谐振时振子储存能 的机械
Qm 2每一谐振周期振耗 子的 所机 消械能
Qm2frR(C0fC a21)(fa2fr2)
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
(b)沿X方向的压力 (c)沿X方向的拉力
逆压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效应
当在晶体上施加电场时，由于电场的作用会引 起介质内部正负电荷中心位移，而这一位移又 使介质发生形变。
在一定电场强度范围内，电场强度与形变呈线 性可逆关系，这种效应称为逆压电效应。
压电效应的本质：机械作用引起介质极化
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
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。
压电常数D33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。
120℃以下，BaTiO3晶体 结构稍有畸变，为四方 结构，Ba2+和Ti4+相对于 O2-产生了一个位移，结 果沿C 轴方向正负电荷 中心不重合，产生了极 化（自发极化），通常 把这种转变温度称为居 里温度或居里点（Tc）。
120℃到5℃自发极化沿 C轴[001]方向。
铁电晶体中存在着自发极化 方向不同的小区域，那些自 发极化方向相同的区域称为 电畴（黑色粗线为畴壁）。
极化方向
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图
Ｅ
（实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
极化 方向
电 场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化
2、压电材料
1）.压电晶体
石英（ SiO2 ，J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的）， 性能稳定，但价格高，一般仅用于标准仪器或要求较 高的传感器中；
特种陶瓷第五讲压电陶瓷(ppt)
（优选）特种陶瓷第五讲压电 陶瓷
压电陶瓷基本概念及性能参数
三个重要概念
① 极化 （Polarization ）
在电场作用下， 电介质中束缚着的 电荷发生位移或者 极性按电场方向转 动的现象，称为电 介质的极化。
②自发极化（Spontaneous Polarization）
在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点 群的晶体才有压电效应。
将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷， 并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处 理，才能成为压电陶瓷。
常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅 以及三元系压电陶瓷等。
1先9后42在年美，国第、一前个苏压联电和陶日瓷本材制料成—，—但钛其酸压钡电（性Ba随TiO温3度） 变化较大。
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
3）.压电陶瓷
并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶 瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称 中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳 酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。
1954年美国B·贾菲等人 3(PZT)固溶体系统 。
，发现了压电PbZrO3
-PbTiO
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。
压电材料的主要特性参数
➢ 压电常数 ➢ 弹性常数 ➢ 介电常数 ➢ 机电耦合系数 ➢ 电阻 ➢ 居里点
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：
D3 d33T3
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。
机电耦合系数K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。
对于自发极化而言，从宏观 统计来看，晶体中存在着各 个方向的自发极化，它们相 互抵消，宏观上对外不呈现 极性。
③铁电陶瓷 (Ferroelectric Ceramics)
某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而 且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材 料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶 瓷材料称为铁电陶瓷.
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：
K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械能
转换时输入的总电能
或
K2
通过正压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
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。
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 乘积为一个常数，即频率常数。
Ps单个电畴的极化强度；Pr剩 余极化强度；Ec矫顽电场。
压电效应及材料
1、压电效应
对某些晶体施加机械力而引起它们内部正负电 荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两 端表面内出现符号相反的束缚电荷。
在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆 关系，这种现象称为正压电效应（压→电） 。
(a)不受外力
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：
谐振时振子储存能 的机械
Qm 2每一谐振周期振耗 子的 所机 消械能
Qm2frR(C0fC a21)(fa2fr2)
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
(b)沿X方向的压力 (c)沿X方向的拉力
逆压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效应
当在晶体上施加电场时，由于电场的作用会引 起介质内部正负电荷中心位移，而这一位移又 使介质发生形变。
在一定电场强度范围内，电场强度与形变呈线 性可逆关系，这种效应称为逆压电效应。
压电效应的本质：机械作用引起介质极化
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
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。
压电常数D33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。
120℃以下，BaTiO3晶体 结构稍有畸变，为四方 结构，Ba2+和Ti4+相对于 O2-产生了一个位移，结 果沿C 轴方向正负电荷 中心不重合，产生了极 化（自发极化），通常 把这种转变温度称为居 里温度或居里点（Tc）。
120℃到5℃自发极化沿 C轴[001]方向。
铁电晶体中存在着自发极化 方向不同的小区域，那些自 发极化方向相同的区域称为 电畴（黑色粗线为畴壁）。
极化方向
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图
Ｅ
（实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
极化 方向
电 场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化
2、压电材料
1）.压电晶体
石英（ SiO2 ，J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的）， 性能稳定，但价格高，一般仅用于标准仪器或要求较 高的传感器中；
特种陶瓷第五讲压电陶瓷(ppt)
（优选）特种陶瓷第五讲压电 陶瓷
压电陶瓷基本概念及性能参数
三个重要概念
① 极化 （Polarization ）
在电场作用下， 电介质中束缚着的 电荷发生位移或者 极性按电场方向转 动的现象，称为电 介质的极化。
②自发极化（Spontaneous Polarization）
在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点 群的晶体才有压电效应。
将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷， 并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处 理，才能成为压电陶瓷。
常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅 以及三元系压电陶瓷等。
1先9后42在年美，国第、一前个苏压联电和陶日瓷本材制料成—，—但钛其酸压钡电（性Ba随TiO温3度） 变化较大。