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
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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
压电陶瓷微位移器件性能分析
压电陶瓷微位移器件性能分析 我国1426所在80年代研制出的WTDS-I型电致伸缩微位移器在国内许多研究部门得到应用，但生产单位没有及时对该器件的迟滞、蠕变、温度特性，尤其是动态特性进行必要的研究。作者根据本文的研究需要，对国内应用该产品的情况进行了大量调研和实验研究，从而获得了一些有关该产品性能的情况，现介绍如下： 一、迟滞及蠕变特性 图5.9是作者测得的WTDS-I电致伸缩微位移器的电压 位移实验曲线。从实验中发现，在高压段，微位移器出现蠕变现象，即在一定电压下，位移达到一定值后随时间缓慢变化，在较长的时间内达到稳定值，这一现象是微位移器内部电介质在电场作用下的极化驰豫造成的。图5.10是在300伏时，微位移器位移随时间的变化曲线。 二、温度特性 原航空航天部303所对WTDS-I型电致伸缩微位移器的温度特性进行了测试。图5.11是在一定电压下，微位移器的伸长量与温度的关系曲线，当温度低于0℃或超过20℃时，伸长量变小。 三、压力特性 在作者的要求下1426所对WTDS-I型电致伸缩微位移器的压力特性作了实验，图5.12是实验曲线，该曲线表示在某一电压下器件伸长量（不包括器件因受力而产生的压缩量）与压力的关系，△S表示在某一压力下的伸长量，S0表示空载时的伸长量，303所也做了这一实验，其结果相同。从图中可以看出：压力对位移量的影响不大。 四、刚度特性 刚度是指器件本身抵抗外力而产生变形的能力。哈尔滨工业大学机械系对WTDS-IB型电致伸缩微位移器件作了这方面的实验。图5.13是刚度特性曲线，在不加电压的情况下，得到的器件压缩量与压力的关系。压缩量—力回归关系式为： S = 0.155F + 2.96 其中S—器件的压缩量(μm) , F—施加外力 (N) 其相关系数为：r = 0.988 刚度为： 6.45(N/μm) 从图5.13中可以看出：在载荷较小时压缩量随载荷的加大而增加较快，而在载荷较大时压缩量随载荷的加大而增加较慢，且基本呈直线关系增加。这主要是 由于器件的叠堆结构造成的，叠堆是由多 片压电陶瓷薄片粘接而成，各薄片间的接 触刚度较差，随外力的增加，由于接触变 形使接触面积增大，刚度提高，因而出现 了如图5.13所示的压缩量与载荷的关系曲 线。 图5.14为在不同压力下的电压—位移曲线。从图中可以看出，微位器的位移随载荷的增加而减小，但电压—位移关系曲线的基本形状不变。
大学物理实验报告5
【实验题目】声速得测定班级姓名学号 上课日期 2015年月日教室房间组号 任课教师签字: 最终成绩: 【实验目得】 1.了解压电陶瓷换能器得功能 2.了解超声波产生与接收得原理 3.学会用共振干涉法与相位比较法与时差法测定声速。 【实验原理】 1.压电传感器得工作原理。 2.共振干涉(驻波)法测量波长得原理。 3.相位比较法测量波长得原理。 4、时差法测量声速得原理:声波传播得距离L与传播得时间t存在下列关系:L=V*t ,只要测出L与t就可测出声波传播得速度V。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L与时间t ,就可以计算出当前介质下得声波传播速度。 固体中得纵波声速: 铝:C棒=5150m/s, 有机玻璃:C棒=1500～2200m/s。 5、固体介质中得声速测量 在固体中传播得声波就是很复杂得,它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等,而且各种声速都与固体棒得形状有关,金属棒一般为各向异性结晶体,沿任何方向可有三种波传播。所以本仪器实验时采用同样材质与形状得固体棒。固体介质中得声速测量需另配专用得SVG固体测量装置,用时差法进行测量。实验提供两种测试介质:有机玻璃棒与铝棒。每种材料有长50mm三根样品,只需将样品组合成不同长度测量两次,即可按上面得方法算出声速: 1 1 i i i i i L L v t t - - - = - (5-2-11) 图5-2-5 测量固体介质中声速得接线图 (1)按图5-2-5连接线路,将测试方法设置到“脉冲波”方式。 (2)将接收增益调到适当位置(一般为最大位置),以计时器不跳字为好。将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上,在换能器端面与固体棒得端面上涂上适量得耦合剂,再把固体棒放在发射面上,使其紧密接触并对准,然后将接收换能器接收端面放置于固体棒得上端面上并对准,利用接收换能器得自重与固体棒端面接触。 (3)记录计时器得读数为t i-1(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出),固体棒得长度为L i-1。 (4)移开接收换能器,将另1根固体棒端面上涂上适量得耦合剂,置于下面一根固体棒之上,并保持良好接触,再放上接收换能器,这时计时器得读数为t i,固体棒得长度为L i。测量超声波在不同固体介质中传播
压电陶瓷的特性及应用举例
压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。
Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。
Δ响应时间快 实验十三 拉伸法测金属丝的扬氏弹性摸量 【预习题】 1．如何根据几何光学的原理来调节望远镜、光杠杆和标尺之间的位置关系？如何调节望远镜？ 答：（1）根据光的反射定律分两步调节望远镜、光杠杆和标尺之间的位置关系。第一步：调节来自标尺的入射光线和经光杠杆镜面的反射光线所构成的平面大致水平。具体做法如下：①用目测法调节望远镜和光杠杆大致等高。②用目测法调节望远镜下的高低调节螺钉，使望远镜大致水平；调节光杠杆镜面的仰俯使光杠杆镜面大致铅直；调节标尺的位置，使其大致铅直；调节望远镜上方的瞄准系统使望远镜的光轴垂直光杠杆镜面。第二步：调节入射角（来自标尺的入射光线与光杠杆镜面法线间的夹角）和反射角（经光杠杆镜面反射进入望远镜的反射光与光杠杆镜面法线间的夹角）大致相等。具体做法如下：沿望远镜筒方向观察光杠杆镜面，在镜面中若看到标尺的像和观察者的眼睛，则入射角与反射角大致相等。如果看不到标尺的像和观察者的眼睛，可微调望远镜标尺组的左右位置，使来自标尺的入射光线经光杠杆镜面反射后，其反射光线能射入望远镜内。 （2）望远镜的调节：首先调节目镜看清十字叉丝，然后物镜对标尺的像（光杠杆面镜后面2D 处）调焦，直至在目镜中看到标尺清晰的像。 2．在砝码盘上加载时为什么采用正反向测量取平均值的办法？ 答：因为金属丝弹性形变有滞后效应，从而带来系统误差。 【思考题】 1．光杠杆有什么优点？怎样提高光杠杆测量微小长度变化的灵敏度？ 答：（1）直观 、简便、精度高。 （2）因为 D x b L 2?=?，即b D L x 2=??，所以要提高光杠杆测量微小长度变化的灵敏度L x ??，应尽可能减小光杠杆长度b （光杠杆后支点到两个前支点连线的垂直距离），或适当增大D （光杠杆小镜子到标尺的距离为D ）。 2．如果实验中操作无误，得到的数据前一两个偏大，这可能是什么原因，如何避免？ 答：可能是因为金属丝有弯曲。避免的方法是先加一两个发码将金属丝的弯曲拉直。 3．如何避免测量过程中标尺读数超出望远镜范围？ 答：开始实验时，应调节标尺的高低，使标尺的下端大致与望远镜光轴等高，这样未加砝码时从望远镜当中看到的标尺读数接近标尺的下端，逐渐加砝码的过程中看到标尺读数向上端变化。这样就避免了测量 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。 图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其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，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 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） 实验十二压电陶瓷压电性能测定 实验名称： 压电陶瓷压电性能测定 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.了解压电常数的概念和意义； 2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。 3.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d 33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“d 33”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d 33结果及正负极性，记录。 （7）取三次测量的平均值。 六、实验报告要求 1.实验目的； 压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT 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 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 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，I R大时，tanδ也大；I R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。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的 信息功能陶瓷材料综合实验 高春华黄新友 江苏大学材料科学与工程学院 序言 “信息功能陶瓷材料综合实验”是为大学生“陶瓷工艺学”、“无机材料物理性能”、“电子元器件概论”和“无机材料研究方法”等课程及实验编写的。 本实验是由十个综合实验所组成的系列实验，包括材料工艺实验：配料与混合、可塑法成型工艺、主晶相的固相法合成、硅碳棒电炉的使用、陶瓷的金属化与封接、压电陶瓷的极化等；材料性能评价实验：差热分析、陶瓷介电性能的测定、陶瓷压电性能的测定、PTC热敏陶瓷阻温特性测定等，以及进行信息功能陶瓷材料研究所需的基本技术实验。通过此系列实验，能使学生全面掌握信息功能陶瓷材料的研究和生产的整套生产工艺过程。 一实验目的 信息功能陶瓷材料综合实验，起着验证和巩固基本理论的作用，并可培养学生掌握有关材料的基本研究方法，是加强理论联系实际的重要环节之一。而且，也能够训练实验操作技能，培养分析、综合与处理实验数据的能力，能对提高学生的综合素质、动手能力、创新能力越到重要的促进作用。 二实验要求 实验前应该作好充分准备，弄清实验原理、实验目的、要求以及实验条件和可能产生偏差的因素等。 实验过程中应该操作准确、观察细心、正确地记录有关实验数据，并将实验过程中的异常现象及时记录下来。 实验数据的可靠性是分析与阐明实验结果，并作出必要结论的关键所在，所以在整个实验过程中，都应注意将实验误差限制在尽可能小的范围内，因此，对每一实验的操作、读数、记录都应认真对待，一丝不苟。 三注意事项 1．自觉遵守实验室规则。 2．实验前应根据实验讲义进得充分准备，实验前经老师提问合格后，方可开始实验。 3．实验过程中，严肃认真，保持实验室安静。严格按操作规程进行，注意安全，爱护仪器。 4．实验时，每个学生都应了解、掌握整个实验过程。 5．实验完毕，必须将实验记录交教师检查，合格者方可结束实验，不合格者重新进行实验。 6．每人必须认真填写一份实验报告，实验报告除包括必要的实验目的及原理以外，还应包括原始数据、计算方法、必要的数据表格与图形，主要的实验过程等。另外，还应对实验结果作必要的讨论，分析引起偏差的原因。书写应清楚整洁。7．实验时应保持实验台整洁，实验结束后应整理仪器，作好室内清洁卫生。 . 压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。又缓慢恢复到不带电的的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，压电陶瓷会随之发生形变位移，逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，状态；电场撤去后，形变会随之消失。'. . Δ纳米级分辨率，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强1%压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于度非常精确地控制形变量。压电陶瓷的分辨它的分辨率可达原子尺度。压电陶瓷是高精度致动器，在实际使用中，率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力出力对于小尺寸的压电陶瓷，压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。'. . Δ响应时间快 电的时间，。达毫秒至亚毫秒量级。最快响应时间取决于压电陶瓷的谐振频率，一般为谐振时间的1/3 压电陶瓷被广泛应用于阀门与快门技术中。 Δ迟滞即压电陶瓷升压曲线和降尽管压电陶瓷具有非常高的分辨率，但它也表现出迟滞现象，上升曲线和下降曲线上的位移值有明显的位移在同一个电压值下，压曲线之间存在位移差。驱动电压越小则位移差也会相应越小，差，且这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变，15%10%压电陶瓷的迟滞一般在给定电压对应位移值的-左右。'. . Δ蠕变而是位移值不是稳定在一固定值上，蠕变是指当施加在压电陶瓷的电压值不再变化时，内蠕变量约为10s随着时间缓慢变化，在一定时间之后才会达到稳定值，如右图所示。一般 1%~2%。伸长量的 锆钛酸钡电子陶瓷材料的制备 前言 电子陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料,主要包括压电、介电、离子导体、超导和磁性陶瓷等。电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。近年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有很大发展,但总体来看,我国的电子信息产业,特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外的大公司如日本的村田、松下、京都陶瓷,美国的摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场,目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。 随着电子信息技术的高速发展,电子陶瓷材料应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产品,包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等,数字技术对陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。为了满足这些要求,世界各国的大学、研究机构和企业都在以信息技术为应用领域的功能陶瓷新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。 传统电子陶瓷材料在电子工业、微电子工业等领域中已经获得了广泛的应用,为高科技发展和国民经济繁荣做出了卓越的贡献。目前这类材料的研究领域主要是利用先进的材料制备技术来进一步改善和提高性能。 钛酸钡BaTi03是一种被普遍研究的具有钙钛矿结构的铁氧体，因其优良的介电性能，在电容器件等方面具有广泛的应用。为了增加介电常数的可调性，降低介电损耗，往往通过掺杂的方法，如用化学性能更为稳定的Zr4+，取代Ti4+，得到锆钛酸钡Ba(Ti0.95 Zr0．05) 03( BZT)。传统的烧结陶瓷方法多采用固相反应烧结。大致分为：热压烧结，热等静压烧结，微波烧结，超高压烧结，真空烧结，气氛烧结，原位加压成型烧结等。本文研究用固相反应法烧结锆钛酸钡压电陶瓷及其特性分析。 实验过程 本实验采用固相烧结法，即固体粉末在高温环境各自分子扩散形成陶瓷化学结 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。 图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其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，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的，即E S D d ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ，它表示应力与所产生的电场的关系，或应变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系： εd g = 式中ε为介电系数。在声波测井仪器中，压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数，以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时，由于压电效应和逆压电效应，机械能（或电能）中的一部分要转换成电能（或机械能）。这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示，它是 一、实验目 压电陶瓷振动的干涉测量实验报告 的与实验仪 器 1.实验目的 （1）了解压电陶瓷的性能参数；? （2）了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法； ? （3）、掌握压电陶瓷微位移测量方法。 2.实验仪器 压电陶瓷材料（一端装有激光反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜）、光学防震平台、半导体激光器、双踪示波器、分束镜、反射镜、二维可调扩束镜、白屏、驱动电源、光电探头、信号线等。 二、实验原理 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 1) 正压电效应：压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力时，晶体将在 X，Y，Z 三个方向出现与应力成正比的极化强度，即： E = g·T（g为压电应力常数）， 2) 逆压电效应：当给压电晶体施加一电场 E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效 应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系： S = d·U（d为压电应变常数） 对于正和逆压电效应来讲， g和d 在数值上是相同的。 2. 迈克耳逊干涉仪的应用 迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。上图是迈克耳逊干涉仪的原理图。分光镜的第二表面上涂有半透射膜，能将入射光分成两束，一束透射，一束反射。分光镜与光束中心线成 45°倾斜角。M1和 M2为互相垂直并与分束镜都成 45°角的平面反射镜，其中反射镜 M1后附有压电陶瓷材料。 由激光器发出的光经分光镜后，光束被分成两路，反射光射向反射镜 M1（附压电陶瓷），透射光射向测量镜 M2（固定），两路光分别经 M1、M2反射后，分别经分光镜反射和透射后又会合，经扩束镜到达白屏，产生干涉条纹。M1和 M2与分光镜中心的距离差决定两束光的光程差。因而通过给压电陶瓷加电压使 M1随之振动，干涉条纹就发生变化。由于干涉条纹变化一级，相当于测量镜 M1移动了λ/2，所以通过测出条纹的变化数就可计算出压电陶瓷的伸缩量。 三、实验步骤 1)将驱动电源分别与光探头，压电陶瓷附件和示波器相连，其中压电陶瓷 附件接驱动电压插口，光电探头接光探头插口，驱动电压波形和光探头波形插口分别接入示波器 CH1 和 CH2； 2)在光学实验平台上搭制迈克尔逊干涉光路，使入射激光和分光镜成 45 度，反射镜 M1 和 M2与光垂直，M1 和 M2 与分光镜距离基本相等； 压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。 图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压 实验十二压电陶瓷压电性能测定 实验名称：压电陶瓷压电性能测定 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.了解压电常数的概念和意义； 2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。 3.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。 （7）取三次测量的平均值。 六、实验报告要求 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: 0 22L L 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。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。 压电陶瓷特性及振动的干涉测量 具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。 【实验目的】 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。 3. 测量压电陶瓷的压电常数。 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。 【实验原理】 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 (1)正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与j T 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的 压电应力常数。 (2)逆压电效应 当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系n ni i E d S =，式中ni 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。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。 压电陶瓷微位移性能测量实验报告 一、实验目的： 1、了解压电陶瓷的性能参数； 2、了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法； 3、掌握压电陶瓷微位移测量方法； 二、实验仪器： 电容测微仪一台：型号JDC-2000测微台架一台：型号BCT－5C，斜度1:50直流调压器一台：电压量程（0～300V）标定平铁板一块压电陶瓷管一根 三、实验原理： （一）利用测微台架标定电容测微仪 在测微台架的台架上放置一金属平板，将电容测微仪探头用测微台架夹紧，使探头的端面与平板平行，见图1，移动测微台架的旋钮，分别读出测微仪移动示值和电容测微仪的示值。这样得到一组数据即可对电容测微仪进行标定。 图1 电容侧微仪标定原理图 （二）用标定后的电容测微仪测量压电陶瓷管的线性度 在电容测微仪的线性区（对应机械标定仪的某个位置），通过可调直流电源按一定间隔改变直流电压（见图2），分别对压电陶瓷加压，使之分别产生轴向变形（见图3）和弯曲变形（见图4），从而得到压电陶瓷的伸长与偏转量与施加其上的电压的关系。 图2 可调高压电源图3 测压电陶瓷轴向伸缩图4测压电陶瓷侧向弯曲 四、实验步骤 （一）标定电容测微仪的线性度 １、实验前，了解实验原理及其实验注意事项，并检查实验仪器是否齐全。 ２、使用仪器前，将传感器端面与被测物（标定平铁板）表面用汽油认真清洗干净，以清洗掉杂质及灰尘微粒；而后将电源线和传感器与电缆分别连接好并拧紧。 ３、将标定平铁板安放在测微台架的台架上，而后用夹具将电容传感器探头夹紧，接着上下调整探头使探头与标定平铁板距离接近测量区。 ４、为便于进行数据分析，可将测微台架示值调至某一合适值，并将电容测微仪示值调零，而后进行实验；实验采用一人细调（等间距）测微台架，另一人记录的方式，为了标定线性区，测定线性误差，调值采用先等间距调至140μm，再等间距调回的方法。（为了节约时间，调值范围为0～140μm，调值间距为5μm，共计读29个数。）５、实验完成后，调整测微台架使探头远离标定平板到合适位置，取下标定平板（并估算找出电容测微仪的线性工作区，我们找的较为好的线性工作区是0～100μm）以进行压电陶瓷的性能及其微位移测量的实验。 （二）、压电陶瓷加电时的性能及其微位移测量 测压电陶瓷轴向伸缩： １、将压电陶瓷的中线（Z）接至变压器的U+端，两边的两个接线头均接至变压器的地接口端（GND）。 ２、将压电陶瓷小心垂直轻放在测微台架的台架上（如图3），并将探头靠近压电陶瓷至电容测微仪线性工作区（注：应先粗调而后细调以使电容测微仪示值在6～94μm以内，大学物理实验报告思考题部分答案 周岚
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