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。表1列出了典型的铋层状结构无铅压电陶瓷的压电性

能.[20]

表1 铋层状结构无铅压电陶瓷压电性能性能[20]

体系工艺Tc/℃d33(pC/N) εr Sr0.9Nd0.1Bi2Nb2O9OF 390 14(d31) 165

Sr0.9Nd0.1Bi2Nb2O9TGG 390 32(d31) 160

Bi4Ti2.96Nb0.04O12OF 20

Bi4Ti2.96Nb0.04O12TGG 30

CaBi2Nb2O9OF 943 8

CaBi2Nb2O9SPS 943 20

Sr2(1-x)Ca2x B i4Ti5O18OF 26

Sr2(1-x)Ca2x Bi4Ti5O18HF 51 [(Na0.5K0.5)Bi]0.44(LiCe)0.03Bi2Nb2O9OF 670 28

Ca0.95La0.05Bi2Nb2O9OF 911 12.8 (Na0.5K0.5)0.94Li0.04Bi4.5Ti4O15OF 620 28

Ca0.9(KCe)0.05Bi2Nb2O9OF 868 16 注OF:常规烧结;HF:热煅; TGG:模板晶粒生长; SPS:放电等离子体烧结

1.2.2 钨青铜结构材料

钨青铜结构化合物是仅次于钙钛矿型的第二大类铁电体.此类化合物因具有类似四角钨青铜K x WO3和Na x WO3的结构而得名.这一结构的基本特征是存在着[BO6]式氧八面体,其中B以Nb5+、Ta5+为主.这些氧八面体以顶角相连构成骨架,从而堆积成钨青铜结构.现在,无铅的钨青铜结构铌酸盐压电陶瓷报道较少,但还是有一些有用的成果,比如近年来,一些钨青铜无铅压电铁电陶瓷,如KBa2Nb5O15[21]等已能通过传统陶瓷工艺获得了致密的陶瓷体,并展现出独特的介电压电铁电性质.尤其是钨青铜结构的铁电单晶K0.95Li0.05Ta0.61Nb0.39O3具有高达431 pC/N的压电常数(d33)[22],这可能说明了钨青铜结构铁电体作为无压电陶瓷的候选材料还是有潜力的.

1.2.3 钙钛矿结构陶瓷

现在研究较多的还是钙钛矿结构陶瓷，主要有BaTiO3（BT）系、（Bi0.5Na0.5)TiO3（BNT）系、（K0.5Na0.5）NbO3（KNN）系、Bi0.5（K0.5Na0.5）TiO3系等[8]。BaTiO3系的特点是居里温度低，从而使它的工作温度区间很窄，通过参杂可以改善，如与BNT组成二元系，可以使Tc上升到380℃[9]。其它的如BNT系，表现也差不多，通过各种参杂改性，均能提高一下性能，但d33的值很少能突破200pC/N. 下图是一些钙钛矿结构陶瓷的性能参数[17]。

[17]

1.3 KNN基压电陶瓷的研究意义和现状

目前，被认为最有希望取代PZT系陶瓷的是（K0.5Na0.5）NbO3（KNN）系陶瓷材料。它是铁电体KNbO3和反铁电体NaNbO3的固溶体，居里温度在415℃左右，有着良好的铁电性能和较高的压电耦合系数。但它的烧结性能很低。根据不同的烧结工艺，可以得到不同的压电性能。采用固相法在空气中烧结的-----因陶瓷致密度不高，以及碱金属的挥发是陶瓷成分偏离预定的化学计量比，能获得的机电耦合系数Kp为0.36，压电常数d33只有80pC/N[10]。如采用热压烧结技术，则可得到相对密度很高的陶瓷。1962年，Jaegor和Egerton就得到了相对密度达到99%的（K0.5Na0.5）NbO3陶瓷，其压电性能大大提升，压电常数d33达到160pC/N。，Kp也达到了0.45[11].而如采用比较先进的放电等离子烧结技术（SPS），也同样能得到较好的压电性能（d33=148pC/N，Kp=0.389）[12]。但这样的性能参数还无法和PZT压电陶瓷相比，要取代PZT就必须研究出压电性能更高，烧结性能更好的材料。近年来，广大材料工作者通过添加烧结助剂、添加第二相组元促进烧结，以及改变K：Na的比值等方法来改善KNN机基压电陶瓷的性能.

1.3.1添加烧结助剂

添加烧结助剂是为了在烧结过程中产生液相,这是降低烧结温度的一种有效的方法。液相烧结中的晶粒重排、强化接触可提高晶界迁移率,使气孔充分排出,促进晶粒的发育,从而提高瓷体致密度,达到降低烧结温度的目的。但是这些液相在烧结的后期会留在陶瓷晶界处,恶化材料的介电和压电性能,所以必须选择合适的烧结助剂,使其在烧结的中间阶段存在液相,烧结后期全部进入晶粒,与基体材料完全形成固溶体，才能在降低烧结温度的同时又保持好的压电性能[23]。CuO是现在普遍采用的烧结助剂。研究发现，将其加入到KNN陶瓷中除可以降低烧结温度，提高致密度外，还可以显著提高陶瓷的机械品质因子[13]。J Bernard 等在KNN中加入K和Na的锗酸盐后，在1000℃下烧结得到相对密度95.6%的样品，其d33值为120 pC/N。比不加助剂时提高了50%[14]。

表3给出了近两年KNN基陶瓷添加烧结助剂后的性能[23]。

表3 KNN基陶瓷添加烧结助剂后的性能[23]

Composition density/

(g·cm-2)

d33/

(pC·N-1)

Tc/℃k pεr tanδ

KNN-0.05LiTaO3+1%Li2O 4.51 250 0.37 440 0.043 KNN+0.005K1·94Zn1·06Ta5·19O15 4.34 126 0.42 590

(K0·5Na0·5)NbO3-0.5wt%Bi2O3 4.48 140 0.46

(KN)(Nb0·97Sb0·03)O3+2mol%CuO 4.13 111 410 0.41 324

100(KN)(Nb0·67Ta0·33)O3-1.4Mn

+K4·1CuTa7. 7O2·3+ZnO

240 193 0.5 1490 0.017 1.3.2 KNN基陶瓷离子取代改性

离子取代是陶瓷材料改性的重要手段, 近年来KNN陶瓷的离子取代已经引起了国内外学者的广泛关注。表4列出了近年来采用传统陶瓷工艺制备的A、B位取代改性后的KNN 基陶瓷的性能[23]。 E. K. Akdo等人[24]采用传统固相法制备了K0·44Na0·52Li0·04-Nb0·84Ta0·1Sb0·06O3陶瓷,测得室温d33高达345 pC/N,主要原因是通过离子取代,在室温附近出现了四方和正交相共存的结构,即多晶转变(PPT)结构。

表4 A、B位取代改性后的KNN基陶瓷的性能[23]

成分d33T c k p K0.44Na0.52Li0.44-Nb0.84Ta0.1Sb0.06O3345 264 -

K0.38Na0.58Li0.04(Nb0.91Ta0.05Sb0.04)O3306 337 0.48 (Na0.52K0.433Li0.477)Nb0.923Sb0.047Ta0.03O3308 339 0.51 [(K0.458Na0.542)0.96Li0.04](Nb0.85Ta0.1)O3298 336 0.52

表5 KNN基压电陶瓷的压电性能

成分d33T c k p

(1-x)(Na0.475K0.475Li0.05)NbO3-x(Bi0.48Na0.48Ba0.04)TiO3328 415 0.48 xLiNbO3-(1-x)(Na0.535K0.480)NbO3314 490 0.42

(1-x)(Na0.6K0.4)NbO3- xLiSbO3280 364 0.494 KNN-xBiFeO3 185 370 0.46 1.3.3 掺杂第二组元

而掺杂第二组元则是提高压电常数d33的普遍思路。其中最具代表性的是掺LiNbO3,LiSbO3,LiTaO3,已经它们的复合掺杂[4]。掺杂了这些第二组元后，d33的值普遍可以达到200左右。如Guo Y等得到的KNN- LiNbO3样品的d33达到200-235 pC/N,Tc超过450℃

[15].而KNN- LiTaO

体系具有较好的烧结性能，d33可以达到190-230 pC/N[16]。因为KNN

陶瓷密度是PZT陶瓷的１/２左右，所以相同重量的KNN陶瓷的d33就相当于PZT陶瓷２倍的d33，即KNN的200 pC/N相当于PZT的400 pC/N[17].所以，KNN掺杂改性的陶瓷的应用前景还是比较光明的。表5是近几年采用传统陶瓷工艺制备的具有较高压电性能的KNN基陶瓷。

图1 KNN的相图[2]

1.3.4 温度稳定性的研究

今年来，对KNN陶瓷的研究中，还有一个热点就是温度稳定性的研究。KNN基陶瓷要应用于实际生产中，除了要提高压电常数d33，改善烧结性能外，还要必须提高其温度稳定性。大家知道，PZT系陶瓷的高性能来源于其MPB效应。即当Zr: Ti=48：52附近时，PZT陶瓷处于菱面体结构和四方结构的相界附近，在相界附近晶体的结构活动性最高，是材料具有介电和压电性能的极大值。而对于KNN基陶瓷，情况有所不同，在KNN中找不到MPB区。而与MPB效应类似，KNN陶瓷中存在一种PPT效应[19]。如图1中KNN相图所示，KNN陶瓷会随着温度的变化发生相变，从正交相变到四方相。而在相变温度附近，它的介电和压电性能都达到峰值。这一效应能给KNN陶瓷带来高的性能，却也随之带来一个问题，那就是它的温度稳定性不好。它只在相变温度附近具有高的性能，其温度区间很窄。而在实际应用中，温度在一定范围内波动，故必须扩大其温度区间才行。

关于KNN基陶瓷温度稳定性,许多学者进行了研究。Shujun Zhang[23]等人利用CaTiO3(CT)改性KNN-LiSbO3(LS)陶瓷,使得PPT(四方相和正交相)的转变温度移至室温以

下图2中a、b、c分别表示KNN-LiSbO3陶瓷、KNN-LiSbO3中添加后量百分比为2%的CaTiO3陶瓷、KNN-LiSbO3中添加后量百分比为1%CaTiO3陶瓷3种情况下压电常数随温度变化的情况。由图2可以看出,在-50-200℃,KNN-LiSbO3陶瓷具有优异的温度稳定性,d33=210 pC/N,d15=268 pC/N,k33=61%,k15=56%;杜洪亮等人[25]把BiScO3引入KNN陶瓷中,发现0.04BS-0.96KNN陶瓷在100℃-300℃,相对介电常数保持稳定(约2500),同时介电损耗小于0.05。

图2CaTiO3改性的KNN-LiSbO3陶瓷压电常数温度稳定性[23

1.4 本文研究思路

我们这次试验也是为了研究KNN陶瓷的温度稳定性。考虑到KNN的相变温度可以用参杂来调节，如掺进LiNbO3、BaTiO3、CaTiO3等物质后，其相变温度会降低，且降低量随参杂量的变化而变化[18]。于是我们可以考虑通过设计KNN陶瓷的微观结构来提高其温度稳定性。

图3：陶瓷片结构

现在我们的基本思路是这样的：如图3所示，两层陶瓷，其中上层参杂一定量的LiNbO3，其室温下显正交相，而下一层参杂较多的LiNbO3使其室温下显四方相，上一层的相变温度高，下一层的相变温度为低。烧结后，在两层陶瓷中间，会形成一层过度层，在过渡层内，Li的含量从低到高，其相变温度也随之降低。这样，压电性能随温度的变化

就可以抵消了。

对于烧结工艺，我们采用传统固相陶瓷烧结工艺，并用不同的保温时间研究烧结制度

对陶瓷性能的影响。并在极化后测其性能变化，得出数据结果。

参考文献

[1]曲远方.功能陶瓷及应用.化学工业出版社，2003.1.

[2] B ! 贾菲,W ! R 库克, H ! 贾菲著,林声和译.压电陶瓷. 北京: 科学出版社, 1979

[3]肖定全，万征.环境协调型压电铁电陶瓷.压电和声光，1999,21(5):363-366.

[4]马岚，张军剑.Na0. 5K0. 5NbO3无铅压电陶瓷烧结技术研究进展.陶瓷，2010(4):12-15

[5]江民红，陈何欣，刘心宇，陈国华.BiFeO3–K0.5Na0.5NbO3无铅压电陶瓷的烧结工艺.硅酸盐学报，2010,38(3):363-368

[6]杨群保,荆学珍,李永祥等.无铅压电陶瓷研究的新进展.电子元件与材料，2004，23(11):56-65.

[7]赁敦敏，肖定全，朱建国，等. 铋层状结构无铅压电陶瓷的研究与进展.功能材料，2003，

34(5):479-481 .

[8]李月明.Bi05NaDSTIO3基无铅压电陶瓷的制备、结构与电性能研究:[博士学位论文].湖北:武汉理工大学，2004.

[9]周昌荣.无铅压电陶瓷BNT-BKT--BiMeO3(Me=Fe、Cr、Co)电性能及机理研究:[博士学位论文].湖南:中南大学，2008.

[10]Egerton L, Dillon D M. Piezoelectric and dielectric properties of ceramics in the system potassium –sodium niobate. J Am Ceram Soc, 1959, 42( 9) : 438- 442

[11]Jeager R E, Egerton L. Hot pressing of potassium -sodium niobate. J Am Ceram Soc, 1962, 45( 5) : 209- 213.

[12]Zhang B P, Li J F, Wang K, etal. Compositional dependence of piezoelectric properties in Na x K1- x NbO3 lead- free ceramics prepared by spark plasma sintering . J Am Ceram Soc, 2006, 89( 5) : 1 605- 1 609.

[13]Park H Y, Choi J Y, Choi K M, et al. Effect of CuO on the sintering temperature and piezoelectric properties of ( Na0. 5K0. 5 ) NbO3 lead- free piezoelectric ceramics. J Am Ceram Soc,2008, 91( 7) : 2374- 2377

[14]Bernard J, Bencan A, Rojac T , et al. Low - temperature sintering of K0. 5 Na0. 5 NbO3 ceramics. J Am Ceram Soc,2008, 91(7) : 2409-2411.

[15]Guo Y, Kakimoto K, Ohsato H. Phase transit ional behavior and piezoelectric properties of Na0. 5K0. NbO3 - LiNbO3 ceramics. Appl Phys Lett, 2004, 85(18) : 4121- 4123.

[16]吴浪, 肖定全, 赁敦敏, 等. LiTaO3 掺杂对K0. 5 Na0. 5NbO3基无铅压电陶瓷性能的影响. 功能材料, 2007, 38(11) : 1810-1813.

[17]P. K. Panda. Review : environmental friendly lead-free piezoelectric materials . J Mater

Sci ,2009(44):5049-5062.

[18]Cheol-Woo Ahn ,Chee-Sung Park ,Robert Dittmer ,Soon-Hyung Hong ,Shashan Priya .Effect of elemental diffusion on temperature coefficient of piezoelectric properties in KNN-based lead-free composites .J Mater Sci (2010) 45:3961-3965.

[19]朱孔军,裘进浩,苏礼奎,季宏丽,孟兆磊.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法.中国科技论文在线,2010.4,5(4):278-282.

[20]赁敦敏,郑荞佶,伍晓春,徐成刚,毕剑,高道江.无铅压电陶瓷研究进展.四川师范大学学报(自然科学版) 2010 ,33(1):117-131.

[21]肖定全,赁敦敏,朱建国等.新型无铅压电陶瓷的研制.电子元件与材料，2004，23(11):13-15.

[22]赁敦敏,肖定全,朱建国等.BNT基无铅压电陶瓷的研究与进展一无铅压电陶瓷20年发明专利分析之二.功能材料，2003,(34)4:368-371.

[23]赵静波,屈绍波,杜洪亮,郑艳菊,莫卫东,杨鸣.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷性能研究现状及展望.空军工程大学学报(自然科学版) ,2010,11(3):89-94.

[24]Akdoan E K,Kerman K,AbazariM, et al· Origin of High Piezoelectric Activity in Ferroelectric

K0·44Na0·52Li0·04-Nb0·84Ta0·1Sb0·06O3Ceramics[J].Applied Physics Letters, 2008, 92 (11): 112908.

[25]DuHongliang, ZhouWancheng, Luo Fa, et al· High Tm Lead-free Relaxor Ferroelectrics with Broad Temperature Usage Tange: 0·04BiScO3-0·96(K0·5Na0·5)NbO3[J]. Journal ofApplied Physics, 2008, 104: 044104.

压电陶瓷测量原理..

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。

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用一、概述 1.1电介质电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有：（1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。（2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。（3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

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）

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

压电陶瓷性能参数解析

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

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用一. 概述压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。二. 压电陶瓷压电性的物理机制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、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。（1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。（2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。（3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

压电陶瓷应用

压电陶瓷的市场用途及其发展压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对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。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。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。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。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。塑料甚至金属进行加工。压电陶瓷的用途主要有以下几个： 1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 2、压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。 3、压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。 4、防核护目镜核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。 5、超声波换能器适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，

压电陶瓷过程控制规范

过程控制规范 HFDZ-TSD-824-035 压电陶瓷过程控制规范 2016－05－25发布 2016－05-31 实施无锡市惠丰电子有限公司

前言本规范制定过程中参照了汽车压电陶瓷产品的性能要求、汽车压电陶瓷产品试验方法、GB/T 3389-2008《压电陶瓷材料性能测试方法》。本规范按GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》的要求进行编制。本规范由无锡市惠丰电子有限公司技术部提出。本规范由无锡市惠丰电子有限公司公司批准执行。本规范主要起草人：田德辉、谭永光、王宝压电陶瓷产品过程控制规范

1 范围本规范规定了HFDZ-TSD-824-035压电陶瓷产品(以下简称陶瓷产品)的术语和定义的要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存等。 2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版本均不适用于本规范。然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。 2. 1压电陶瓷基体材料组成 2.2压电陶瓷粉料性能检验要求 2.3压电陶瓷产品粉料料浆颗粒度测试方法 2.4压电陶瓷产品粉料松装密度测试方法 2.5压电陶瓷产品银层拉拔力测试方法 2.6压电陶瓷产品银层百格试验方法 2.7压电陶瓷产品银层厚度检验方法 2.8压电陶瓷产品银层微观结构 2.8压电陶瓷产品温度系数产品测试方法 2.9压电陶瓷表面能测试标准 2.10压电陶瓷产品跌落试验标准 2.11压电陶瓷产品外观缺损标准 2.12压电陶瓷产品高、低温测试标准 2.13压电陶瓷产品跌落试验标准 2.14压电陶瓷清洁度测定一般规定(JB/T9058-1999) 2.15压电陶瓷产品性能出厂要求 2.16压电陶瓷产品外观要求 2.17压电陶瓷包装要求 2.18压电陶瓷产品标签或条形码要求 2.19压电陶瓷产品运输或贮存要求 3 术语和定义 3.1 稳定状态是压电陶瓷的性能达到稳定的出货状态。在此状态下，压电陶瓷的性能符合客户及出厂的要求。 3.2额定工况是标定和检验压电陶瓷片在稳定状态下电性能转换的能力的条件。

压电陶瓷测量原理

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

压电陶瓷的极化详解

压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。所谓极化（Poling），就是在压电陶瓷上加一强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。 1.极化机理测试技术与理论分析表明，压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成，如图1所示。每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子（离子）都是有规则（周期性）的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元—晶胞组成，如图2, 3所示。

晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的，如图4所示。因而称其为多晶体。晶胞在一定温度下（T＜T c），其正负电荷中心不重合，产生自发极化Ps，极化方向从负电荷中心指向正电荷中心，如图5所示。

为了使压电陶瓷处于能量（静电能与弹性能）最低状态，晶粒中就会出现若干小区域，每个小区域内晶胞自发极化有相同的方向，但邻近区域之间的自发极化方向则不同。自发极化方向一致的区域称为电畴，整块陶瓷包括许多电畴如图6所示。人工极化处理的作用，就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。图7示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。极化前，各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化强度为零，如图7（a）所示。极化处理时，晶粒可以形成单畴，自发极化尽量沿外场4方向排列，如图7(b)所示。极化处理后，外电场为零，由于内部回复力（如极化产生的内应力的释放等）作用，各晶粒自发极化只能在一定程度上按原外电场方向取向，陶瓷内的极化强度不再为零，如图7(c)。这种极化强度，称为剩余极化强 2. 极化条件

振动与压电陶瓷实验

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: 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。

压电陶瓷的种类

压电陶瓷的种类 1 铁电陶瓷ferroelecteic ceramics 具有重铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷。从晶体结构来看,铁电陶瓷的晶体的主晶相具有钙钛矿结构,钨青铜结构,铋层状结构和焦绿石结构等。 2 反铁电陶瓷antiferroelectric ceramics 具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷。 3 压电陶瓷piezoelectric ceramics 具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷,由于末经过极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向,故没有压电性。极化处理使其自发极化沿极化方向择优取向。在撤去电场后,陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化,故使陶瓷体有了压电性,成为压电陶瓷。在高温的高温度梯度场中定向析晶的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性。 4 钛酸钡陶瓷barium titanate ceramics 钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料,预先合成后再在高温下烧结而成的。 5 钛酸铅陶瓷lead titanate ceramics 钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。它通常是由四氧化三铅{或氧化铅}和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。 6 二元系陶瓷binary system ceramies 二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体,其中A 代表二价的正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等,B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+或五价的Nb5+等。最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。通过调节两种ABO3型结构的克分子比,以及用取代元素和添加物改性的方法,可以获得各种不同用途的材料。 7 锆钛酸铅陶瓷Lead zirconate ceramic 锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷,这种压电陶瓷目前受到广泛应用。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体,具有钙钛矿型结构,当锆钛比为53/47左右{即共晶相界附近}时,具有最强的压电性能。 8 三元系陶瓷ternary system ceramics 三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿性结构的锆钛酸铅{PbZrO3-PbTiO3}中二元系再增加第三种{化学通式为ABO3型}化合物而形成的三元系固溶体。所增加的第三种成分,它们的共同特点是在掺入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构。 9 铌酸盐系陶瓷niobate system piezoelectric ceramics 铌酸盐系压电陶瓷是具有氧八面体结构的铁电陶瓷,各种铌酸盐陶瓷分别具有钙钛矿型{如KnbO3},钨青铜型{如便铌酸铅PbNb2O6}和焦绿石型{如Cd2Nb2O7}等结构。它们的居里温度高,介电常数小和声速大,尤其偏铌酸铅的机械品质因数QM 很低,适用于超声检测。 10 电光{透明铁电}陶瓷electeo-optic{transparent ferroelectric}ceramics 通常指掺鑭{La}的锆钛酸铅{PZT}陶瓷等,简称PLZT,另外还有掺铋的锆钛酸铅等,它们都有电光效应。在铁电陶瓷中,电畴状态的变化伴随着光学性质的改变,通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制,可有电控双折射{细晶陶瓷}和电控光散射{粗晶陶瓷}等特性。

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用Word版

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展引言 1880年皮埃尔?居里和雅克?居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。1894年，德国物理学家沃德马?沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。[1] 石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。 1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。如今,随着应用范围的不断扩大以及制备技术的提升,更多高性能的环保型压电材料也正在研究中。一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理压电效应包含正压电效应与逆压电效应，当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，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，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，而逆压电效应是把电能转换为机械能。 1.1压电效应原理

压电陶瓷特性分析(一) 压电效应

压电陶瓷特性分析（一）压电效应压电效应是1880年由居里兄弟在α石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应[92]。任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单晶，如石英(SiO2)，酒石酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC4H4O6?H2O)，锗酸铋(Bi12GeO20)等。另一类压电晶体称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅[Pb(Zr x Ti rx)O3，代号PZT]，日本制成的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg１／３Ｎｂ２／３)O3加入PZT，代号PCM]，中国制成的锑锰锆钛酸铅[Pb(Mn1/2Sb2/3)O3加入PIT代号PMS]等。电介质的极化压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各向同性电介质的介电性质是不同的。电介质在电场作用下要产生极化，极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。电场是极化的外因，极化的内因在于介质的内部，随着介质内部的微观过程的不同，极化的主要机理有三种[97]。 (1) 组成电介质的原子或离子，在电场作用下，带正电荷的原子核与其壳层电子的负电中心出现不重合，从而产生电偶极矩，这种极化称为电子位移极化。 (2) 组成电介质的正负离子，在电场作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩，这种极化称为离子位移极化。 (3) 组成电介质的分子是有极分子，具有一定的本征电矩，但由于热运动，取向是无序的，整个电介质的总电矩为零(图5.1)。当外电场作用时，这些电偶极矩将

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。表1列出了典型的铋层状结构无铅压电陶瓷的压电性

压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性压电效应具有可逆性：若在压电陶瓷片上施以音频电压，就能产生机械振动，发出声响；反之，压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感，所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。考虑到在低频下工作，仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，其外形与符号如图1所示。它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。D一般为 15~40mm，复合振动片的总厚度为h。当压电材料—定时，谐振频率与h成正比，与(D/2)2成反比。谐振频率fo 与复合振动片的直径D呈指数关系，如图2(a)所示。显然D愈大，低频特性愈

好。压电陶瓷片作传声器使用时，工作频率约为300Hz~5kHz。压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比，由图2(b)可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。>压电陶瓷片的驱动压电陶瓷片有两种驱动方式。第一种是自激振荡式驱动。其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。此时压电陶瓷片呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，因此亦称为电流驱动型。第二种为他激振荡式驱动，利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于电压驱动式。其优点是音域较宽。音色较好。>压电陶瓷片的测试方法 1、电压测试法在业余条件下，可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏，具体方法是：将万用表拨至2.5V直流电压档，左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面，右手持两支表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放在陶瓷表面上，如图1所示。然后左手拇指与食指稍用力压紧一下，随即放松，压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号，使指针先是向右捏一下，接着返回零位，又向左摆一下。摆动幅度约为0.1~0.15V。在压力相同的情况下，摆幅愈大，压电陶瓷片的灵敏度愈高。若表针不动，说明压电陶瓷片内部漏电或者破损。交换两支表笔位置后重新试验，指针摆动顺序应为：向左摆->回零->向右摆->回零。在意事项： ①如果用交流电压档，就观察不到指针摆动情况，这是由于所产生的电压信号变化较缓慢的缘故。 ②检查之前，首先用R×1k或R×10k档测量绝缘电阻，应为无穷大，否则证明漏电，压电陶瓷片受强烈震动而出现裂纹后，可用电烙铁在裂纹处薄薄地徐上一层焊锡，—般能继续使用。 ③检查时用力不宜过大、过猛，更不得弯折压电陶瓷片；勿使表笔头划伤陶瓷片，以免损坏片子。 ④若在压电陶片上一直加恒定的压力，由于电荷不断泄漏，指针摆动一下就会慢慢地回零。