压电材料的电学品质因数
压电功能材料.
PbZrO3-PbTiO3相图
立方顺电相
1、随Zr：Ti 变化，居里点几乎线 形地从235℃变到490℃ ，Tc线以 上为立方顺电相，无压电效应。 2、Zr：Ti=53：47附近有一准同 型相界线，富钛侧为四方铁电相 FT；富锆一侧为高温三方铁电相FR， 温度升高，这一相界线向富锆侧 倾斜，并与Tc线交于360℃（表明 相界附近居里温度Tc高），在相 界附近，晶胞参数发生突变。 3、在四方铁电相FT与三方铁电相 FR的相界附近具有很强的压电效 应，Kp, ε出现极大值，Qm出现极 小值。
la等三价离子进入a位或nb同时作用的掺杂mno受主掺杂形成固溶体低温烧结兼高性能bifeobacu05形成液相烧结过渡液相烧结cdo施主掺杂软和硬掺杂mno压电陶瓷的低温烧结技术及掺杂改性低温烧结压电陶瓷材料的性能要求压电常数d33大于300pcn径向机电耦合系数kp大于055机械品质因数大于1250介电损耗小于00065低温烧结压电陶瓷材料小于1000图二图二低温烧结多层器件的性能要求低温烧结多层器件的性能要求设计思路pztpfwpmn在较低的烧结温度下综合电性能较好的配方高性能兼顾低温烧结的优良配方助烧剂znobifeo掺杂锂掺杂cuopboymno掺杂低温烧结多层器件的设计思路图低温烧结多层器件的设计思路图研究工作一
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 的乘机为一个常数，即频率常数。
N=fr×l
其中：
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D Nt=fr×t
D为圆片的直径
薄板厚度缩振动
细长棒K33振动 薄板切变K15振动
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度
第五部分-(第十二章)材料的压电性能
五 热释电性与铁电性
1 自发极化的微观机制 （a）极性轴导致的自发极化 （b）热运动引起的自发极化
（a）极性轴导致的自发极化
+
-
+
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
极 化 轴
C
+++++
-
-
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
正
电+
荷- -
-
与
固
负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
[ ]dij d21
d 22
d 23
d 24
d 25d 26来自000 d24 0 0
d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0
0 0 0 0 d24 0
0
0
0 d24 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
BaTiO3陶瓷
二、 压电振子的谐振特性
U mm Uee
各个能量的含义：U mm
1 2
SiEj TiTj
U ee
1 2
T mn
Em
En；U
me
1 2
d mj
EiT j
工程技术上的含义
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能 的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、概述压电材料是一类具有压电效应的特殊功能材料，它们能够将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
自1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电材料在科学研究和工业应用中就占据了重要地位。
随着科技的飞速发展，压电材料的研究和应用已经深入到众多领域，如传感器、换能器、振动控制、声波探测、生物医学等。
在压电材料的研究方面，科研人员一直致力于探索新型压电材料，优化其性能，拓宽其应用范围。
目前，压电材料的研究重点主要集中在压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等领域。
这些新型压电材料在压电常数、介电常数、机械品质因数等关键指标上不断取得突破，为压电材料的应用提供了更多可能性。
在应用方面，压电材料在传感器和换能器领域的应用尤为广泛。
例如，压电传感器可用于检测压力、加速度、振动等物理量，广泛应用于工业自动化、航空航天、环境监测等领域。
压电换能器则可用于声波的发射和接收，广泛应用于声呐、超声检测、通信等领域。
压电材料在振动控制、声波探测、生物医学等领域也展现出广阔的应用前景。
压电材料作为一种重要的功能材料，在科学研究和工业应用中发挥着不可替代的作用。
随着科学技术的不断进步，压电材料的研究和应用必将迎来更加广阔的天地。
1. 压电材料的定义与特性压电材料是一种特殊的功能材料，具有将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的能力。
这类材料在受到外力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而产生电势差，这种现象称为“压电效应”。
反之，当压电材料置于电场中时，材料会发生形变，这种现象称为“逆压电效应”。
压电材料的这种特性使得它们在许多领域都有广泛的应用，如传感器、换能器、振动控制等。
压电材料的特性主要包括压电常数、介电常数、机械品质因数等。
压电常数反映了材料的压电效应强弱，是衡量压电材料性能的重要指标。
介电常数则描述了材料在电场作用下的电荷存储能力。
机械品质因数则反映了材料在振动过程中的能量损耗情况。
压电材料的参数及压电方程
压电材料的参数及压电方程一、压电方程对于压电材料的性能，我们有以下四个方面的考虑：1、压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力τ和应变e之间服从弹性关系：τ=ce或e=sτ式中c为弹性模量，又称弹性刚度常数或弹性劲度常数，表示物体产生单位应变所需的力；s为弹性顺从系数，又称弹性柔顺常数，表示材料的应力与应变之间的关系并且s=1/c上述关系式的物理意义是：在弹性限度内，弹性体的应力与应变成正比。
2、压电材料是铁电体，它在电学效应中，其电学参数-电场强度E和电位移强度D之间服从介电关系式：E=βD或D=εE，式中ε为电容率，又称介电常数（单位：法/米），它反映材料的介电性质，对压电体则反映其极化性质，与压电体附上电极所构成的电容有关，即电容C=εA/t，式中A为两极板相对面积，t为两极间距离或者说是压电晶片的厚度，因而与压电体的电阻抗有关。
介电常数ε常用相对介电常数εr表示，其值等于同样电极情况下介质电容与真空电容之比：εr=C介/C真空=ε介/ε真空（ε真空=8.85x10-2法/米）β为介电诱导系数，又称介电隔离率，它表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，并且β=1/ε，不过这个系数一般较少使用。
上述介电关系式的物理意义就是：当一个电介质处于电场E中时，电介质内部的电场可以用电位移D表示。
3、压电材料在磁学效应中有：B=μH，式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率4、压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc，式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ为介质密度；c为材料比热。
对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认为在压电效应过程中无热交换（当然这并不确实，而仅仅是在简化分析时略去这两方面）。
因此，一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。
把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学量--电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。
压电陶瓷性能参数解析
压电陶瓷性能参数解析压电陶瓷是一种能够将电能转化为机械动能的材料。
它具有压电效应，即当施加电场时，会在陶瓷晶体中产生机械变形；反之，当施加机械应力时，会在陶瓷晶体中产生电荷积累。
这种特性使得压电陶瓷在传感器、声学器件、电子器件等领域得到广泛应用。
本文将介绍一些常见的压电陶瓷性能参数。
1.压电系数：压电系数是衡量压电材料性能的重要参数，用于描述材料在施加外部压力或电场时的响应情况。
它可分为压电应变系数d和压电电场系数g。
压电应变系数d用于描述压电陶瓷在施加电场时的形变情况，通常以毫米/伏作为单位。
压电电场系数g用于描述压电陶瓷在施加应力时产生的电荷量，通常以库伦/牛作为单位。
2.介电常数：介电常数是衡量材料在电场作用下电荷积累能力的参数。
压电陶瓷的介电常数通常以两个维度进行描述，分别为介电常数的相对静电介电常数（εr）和相对介电常数（εr）。
3.矫顽场和剩余极化：矫顽场是指施加电场或机械应力后，压电陶瓷尚未发生压电效应的最大电场或应力值。
剩余极化是指当外场消除时，材料中保留的极化强度。
这两个参数都能够反映压电陶瓷的稳定性和可逆性。
4.力常数和耦合系数：力常数是描述压电陶瓷的力-位移耦合效应的参数，标志着材料在施加电场时的机械响应程度。
耦合系数是力常数的相对值，是一种无量纲参数，常用于比较不同材料之间的压电性能。
5.介质损耗和压电品质因数：介质损耗是指压电陶瓷在工作频率下由于材料自身的损耗所导致的能量损失。
压电品质因数是衡量压电陶瓷在工作频率下损耗程度的参数，取决于介质损耗和介电常数等因素。
6.工作温度范围：工作温度范围是指压电陶瓷在正常工作条件下可以承受的温度范围。
这是一个重要的参数，因为一些压电材料在高温或低温环境中性能会发生变化。
以上是一些常见的压电陶瓷性能参数。
不同的应用场景对这些参数的需求也有所不同，因此在选用压电陶瓷材料时，需要根据具体的应用需求对这些性能参数进行综合考虑。
压电陶瓷的性能参数对材料的性能和应用特性有着重要的影响，因此对于压电材料的研究和理解是非常重要的。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
在强电场的作用下，使陶瓷内部产生电畴， 即压电效应的微观结构。
老炼
在高温和高电压下对极化后的陶瓷进行长时 间的老炼处理，以进一步提高其性能。
05
压电陶瓷的发展趋势与展望
高性能化
高压电电压常数
随着科技的发展，对压电陶瓷的 电压常数要求越来越高，以提高
其转换效率和应用范围。
高机械品质因数
机械品质因数是衡量压电陶瓷性能 的重要参数，提高其数值有助于降 低能量损耗，提高陶瓷的稳定性。源自电学品质因数总结词
电学品质因数反映了压电陶瓷的介电能与机械能之比，是评价其能量转换效率的 重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的电学品质因数，意味着其介电能转换为机械能的效 率高，能量损失小。
非线性效应
总结词
压电陶瓷在极化处理后具有显著的压 电效应和非线性效应。
详细描述
在极化处理后，压电陶瓷的压电常数 会随施加电压的增加而增大，表现出 非线性效应。这种非线性效应使得压 电陶瓷在某些应用中具有更高的性能 表现。
详细描述
压电陶瓷的压电常数、介电常数等性能参数随温度变化较小 ，具有良好的温度稳定性，使其在温度变化的环境中仍能保 持稳定的压电性能。
机械品质因数
总结词
机械品质因数反映了压电陶瓷的机械能与介电能之比，是评价其能量转换效率 的重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的机械品质因数，意味着其机械能转换为介电能的 效率高，能量损失小。
压电方程
压电方程定义
压电方程是描述压电陶瓷在机械力和 电场作用下的关系，是描述压电效应 的数学模型。
常用的压电方程
常用的压电方程包括d33E、g33E等， 其中d33E表示在3方向上施加单位力 时，材料产生的电荷量与施加的电压 之间的关系。
压电材料参数
压电材料参数压电材料是一种特殊的功能材料，具有压电效应，即在外加电场或机械应力作用下产生位移，或者在外加位移作用下产生电场。
压电材料参数是描述压电材料性能的重要指标，包括压电应变系数、压电常数、介电常数、机械品质因数等。
这些参数对于压电材料的应用和性能评价至关重要。
首先，压电应变系数是描述压电材料在外加电场作用下产生的应变的参数。
它是指在单位电场下产生的应变，通常用d33表示，单位是皮库。
压电应变系数的大小直接影响了压电材料的位移输出能力，是评价压电材料性能优劣的重要指标之一。
其次，压电常数是描述压电材料在外加电场作用下产生电荷的参数。
它是指在单位应力下产生的电荷，通常用d33表示，单位是库仑/牛。
压电常数的大小直接影响了压电材料的电荷输出能力，也是评价压电材料性能优劣的重要指标之一。
除了压电应变系数和压电常数，介电常数也是描述压电材料性能的重要参数之一。
介电常数是指在外加电场下，材料内部电极间的电容率，是描述材料对电场的响应能力的参数。
介电常数的大小直接影响了压电材料的电场输出能力，也是评价压电材料性能的重要指标之一。
最后，机械品质因数是描述压电材料机械能量和电能量转换效率的参数。
它是指在外加机械应力下，材料内部电极间的电荷输出能力与机械能输入能力的比值，是评价压电材料性能的重要指标之一。
机械品质因数的大小直接影响了压电材料的能量转换效率，也是评价压电材料性能的重要指标之一。
综上所述，压电材料参数是评价压电材料性能的重要指标，包括压电应变系数、压电常数、介电常数、机械品质因数等。
这些参数的大小直接影响了压电材料的位移输出能力、电荷输出能力、电场输出能力和能量转换效率，对于压电材料的应用和性能评价具有重要意义。
因此，在研究和应用压电材料时，需要充分考虑这些参数，并根据实际需求选择合适的压电材料。
压电材料参数
压电材料的参数•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。
压电材料与应用全解
在32种点群中，只有20种点群的晶体才可
能具有压电性。这20种点群都不具有对称 心（即所谓异极对称型） 但是并不是说凡属这20种点群的所有晶体 都必定能够有压电性。因为压电晶体首先 必须是不导电的（至少也应是半导体性 的），同时其结构还必须要有分别带正电 荷和负电荷的质点——离子或离子团存在。 也就是说，压电晶体还必须是离子性晶体 或由离子团组成的分子晶体。
E=-gτ+βτD 式 中g为压电电压常数；sD=1/cD为电位移强度D恒 定时的弹性顺从系数；βτ=1/ετ为应力τ恒定时的 介电诱导率。 （3）i型压电方程：τ=cEe-iE D=ie+εeE 式 中i为压电应力常数；cE为电场强度E恒定时的 弹性模量；εe为应变e恒定时的介电常数。 （4）h型压电方程：τ=cDe-hD E=-he+βeD 式 中h为压电应变常数；cD为电位移强度D恒定时 的弹性模量；βe=1/εe为应变e恒定时的介电诱导 1.1 压电材料概述 1.2 压电性 1.2.1晶体的压电性 1.2.2压电方程 1.3 压电参数 1.4 压电陶瓷 1.4.1压电材料类别 1.4.2压电陶瓷制备流程 1.4.3压电材料性能影响因素 1.4.4压电陶瓷材料 1.5压电材料的应用
1.1压电材料概述
压电效应发现的历史 2006年是居里兄弟皮尔(P·Curie)与杰克斯 (J·Curie)发现压电效应(piezoelectriceffect)的 一百周年。一百多年前在杰克斯的实验室发现了压电 性。起先，皮尔致力于焦电现象 (pyroelectriceffect)与晶体对称性关系的研究，后 来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性 产生。他们有系统的研究了施压方向与电场强度间的 关系，及预测某类晶体具有压电效应。 压电现象理论最早是李普曼(Lippmann)在研究热力学 原理时就已发现，后来在同一年，居里兄弟做实验证 明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。 1894年，福克特(W.Voigt)更严谨地定出晶体结构与 压电性的关系，他发现32种晶类具有压电效应。
压电、热释电和铁电介质材料
数学定义式：K Ume U mm Uee
各个能量的含义：
U mm
1 2
SiEj TiT
；机械能密度。
j
U ee
1 2
T mn
Em
En；介电能密度。
U me
1 2
dmj
EiT
；机械
j
电相互作用能密度。
LOGO
工程技术上的含义：
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
LOGO
2）压电效应的物理机制
压电材料包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料。
1.压电单晶
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而 被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方 向上的晶体表面出现剩余电荷。
LOGO
2）压电效应的物理机制
2.压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化处理 的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为 正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面 吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将 会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另 一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面的自由电荷过剩出现放 电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能
的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
LOGO
2 介电常数 ε
反应了材料的介电性质或极化性质。
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压电材料的电学品质因数
压电材料的电学品质因数是指压电材料在特定频率下的电性能
量转换效率，也可以理解为压电材料在电学上的质量。
该参数主要反映了压电材料在电学能量转换中的损耗程度，即在电场作用下，材料能够将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的能力。
电学品质因数越高，说明压电材料在电学能量转换中的损耗越小，电能转换效率越高。
压电材料的电学品质因数与压电材料本身的物理性质和制备工艺等因素有关。
一般来说，高品质因数的压电材料具有较高的机械刚度和较低的阻尼，同时具有高的压电系数和低的介电损耗。
压电材料的电学品质因数是影响其在压电器件中应用的重要参
数之一。
在声波滤波器、声学谐振器、压电换能器等压电器件中，要求材料具有较高的电学品质因数，以确保器件的稳定性和性能。
因此，研究和开发高品质因数的压电材料是目前压电材料领域的热点之一。
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