压电陶瓷 PPT课件

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压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合 程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:
其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。
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压电特性的物理机制
经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极 表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压 力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。 这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
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B.介电性及弹性性质
压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用真空介电 常数ε0来表示。在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系：
表示,P为极化强度,ε0为真空介电常数,x为电极化率,E为外加电场。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。
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C.其他特性
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成 电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀 对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度， 指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。
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压电陶瓷基本特性
A.压电陶瓷的压电性
压电特性的物理机制
B.介电性及弹性性质
C.其他特性
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A.压电陶瓷的压电性
压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。 正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中 心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号 相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正 比, 遵循公式：
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发展历史
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了 压电学的历史。
1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的 正逆压电常数。
1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有 可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。
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第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电 效应，制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史篇章。
第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，压电材料及其应用取得 划时代的进展。
1946年麻省理工学院发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高 压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持 一定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。
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压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参 数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律:
Xmn=cmnpqxmnpq
式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, Xmn为应力, xmnpq为应变。 对于压电体, 由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。
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1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理， 获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶 瓷制作超声换能器等各种压电器件的应用研究。
1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压 电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。
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当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷 中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效 应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：
dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。
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压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部 会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电 效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场 去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
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物质组成
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第 三种ABO3(A表示二价金属离子,B表示四价金属离子或几种离子总和 为正四价)型化合物,如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的 三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物,可组成 四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷, 如偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO.3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等,它们 不含有毒的铅,对环境保护有利。
压电陶瓷
汪钰博 2017/11/09
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1 基本释义 2 发展历史 3 压电陶瓷基本性质 4 物质组成 5 制造工业 6 主要用途
目录
基本释义
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。与典型的不包 含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相 都是具有铁电性的晶粒。
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压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作 用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生 如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变 形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强 度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加 反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械 效应的现象是逆压电效应。
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压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺 寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确 控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技 术、生物工程等领域都是一大福音。
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谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键 器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精 度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在 多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背 而面临着被替代的命运。