压电陶瓷的物理性能
6.3压电陶瓷教程
本章主要内容： 1 相关概念 （1）极化；（2）压电效应；（3）压电陶瓷。 2 压电陶瓷的性能参数 （1）弹性常数；（2）机械品质因素； （3）压电性、压电常数与压电方程；（4）机电耦
合系数。 3 压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例） 4 压电陶瓷的应用 5 压电超声换能器的应用与发展
（3）压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶 瓷制品。
人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极 化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取 向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现 出明显的压电效应。
2 压电陶瓷的性能参数
（1）弹性常数(elastic coefficient)
❖ 烧结过程中PbO的挥发对产品质量影响很大。由于 PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止 PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等 措施加以解决。
（5）上电极
烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。 一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面， 并在600~800℃下烧结，使银浆中的氧化银还原为 银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于 薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作 为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。
信号转换 振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器
发射接收 超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗
信号处理 滤波器，放大器，振荡器，混频器
Байду номын сангаас
传感计测 加速度计，压力计，角速度计，红外探测器
存贮显示 电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器
其 它 非线性元件，压电继电器等
压电陶瓷应用（一）
压电陶瓷应用（二）
（2）机械品质因素(mechanical quality factor) 它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械 品质因素越大，能量的损耗越小。
pzt5压电陶瓷片使用手册
pzt5压电陶瓷片使用手册一、产品概述pzt5压电陶瓷片是一种具有优异压电性能的陶瓷材料，广泛应用于超声波、音频设备、传感器等领域。
它具有高灵敏度、低损耗、稳定性好等优点，能够将电能有效地转换为机械能，实现微小位移的精确控制。
二、物理特性1. 尺寸：pzt5压电陶瓷片有多种尺寸可供选择，以满足不同应用场景的需求。
2. 重量：pzt5压电陶瓷片相对较轻，方便安装和使用。
3. 机械性能：具有良好的机械强度和耐久性，能够在高压力、高温度环境下稳定工作。
4. 电学性能：具有优异的压电性能，压电常数和介电常数较高，能够实现高效的电能转换。
三、技术规格1. 压电常数：pzt5压电陶瓷片的压电常数随温度、频率、应力等条件的变化而变化，具体数值可根据实际需求进行测试和计算。
2. 介电常数：介电常数是衡量材料介电性能的参数，pzt5压电陶瓷片的介电常数与频率有关，需在特定条件下进行测量。
3. 电阻率：电阻率是衡量材料导电性能的参数，pzt5压电陶瓷片的电阻率相对较高，具有良好的绝缘性能。
4. 机械品质因数：机械品质因数是衡量材料机械性能的重要参数，pzt5压电陶瓷片的机械品质因数较高，具有较好的稳定性和耐久性。
四、驱动电路与连接方式1. 驱动电路：pzt5压电陶瓷片需要专门的驱动电路才能正常工作，驱动电路应具有稳定性好、噪声低等特点。
2. 连接方式：pzt5压电陶瓷片的连接方式有串联、并联等多种方式，具体连接方式应根据实际需求进行选择。
五、操作步骤与使用技巧1. 操作步骤：首先选择合适的驱动电路和连接方式，然后将pzt5压电陶瓷片按照规定连接方式连接到电路中，最后调整驱动电路的参数使pzt5压电陶瓷片正常工作。
2. 使用技巧：在使用过程中应注意避免对pzt5压电陶瓷片进行过大的压力或位移操作，以免损坏材料；同时应注意保持材料表面的清洁和干燥，避免影响其性能。
六、维护与保养1. 定期检查：应定期检查pzt5压电陶瓷片的连接线路是否牢固，有无松动或接触不良等现象。
压电陶瓷
在电场E3和应力X1作用下，压电陶瓷片产生电位移
当E3 0，X1 ＝ 0, 产生的介电电位移：
D 3(1) = X33 E3 当E3 ＝ 0，X1 0, 产生的压电电位移： D 3(2) = d31 X1 当E3 0，X1 0, 产生的总电位移：
D3 ＝ D 3(1) ＋ D 3(2) = X33 E3 ＋ d31 X1
热力学关系（守恒定律）赋予物理性质本身的固有对称性对宏观 物理性质的影响－－要求描述晶体宏观物理性质的二阶以上张量 都是对称张量，如
介电常数张量元 ij = ji 应变 xij = xji
压电常数 dijk = dikj
压电陶瓷的介电常数
对各向同性介质， ij 为标量
对各向异性介质， ij 为二阶张量
X Di ij E j d i X E x d j E j s X
x Di ij E j ei x E X e j E j c x
第二类压电方程组
Ei ijX D j g i X
第三类压电方程组
D x g j D j s X
压电方程组
D3 ＝ X33 E3 ＋ d31 X1 x1 ＝ s11E X1＋ d31 E3
压电方程组
对于一般情况：
Di = ijX Ej + di µX µ
x = dj Ej + s µEX µ
可简写为： D= d X + X E x = sE X + d E
第一类压电方程组
类型 第一类边界条件 机械自由 机械夹持 机械自由 机械夹持 名称 电学短路 电学短路 电学开路 电学开路 特点 dX=0 d x=0 dX=0 dx=0 dx0 dE=0 dX 0 dE=0 dx 0 dD=0 dX 0 dD=0
压电陶瓷2
压电陶瓷基本特性：1.位移特性KS EEQL r2 2εεε+=∆式中，Q r为极化后的剩余电荷，ε为压电介质的介电常数，E为压电陶瓷内部电场强度，S为压电陶瓷的横截面积，K为压电陶瓷碟片的弹性模量，ε0 为真空的介电常数式中的ε不是常量，而是和所加电压和加压史有关，因而压电陶瓷位移和电场强度（电压）的关系存在迟滞特性。
下图为这一陶瓷在正负电压下的位移-电压特性曲线：2.出力位移特性在空载的情况下压电陶瓷的输出位移为最大输出位移，在最大输出力的作用下，压电陶瓷的输出位移将为零，压电陶瓷的输出力和位移的关系曲线如下图：3.温度特性①压电陶瓷随着温度的变化而伸长。
②压电/电致伸缩陶瓷的输出位移随着温度的增加而减少，压电陶瓷的减少幅度较小，电致伸缩陶瓷减少幅度较大。
4.迟滞特性压电陶瓷的迟滞一般在14%左右，目前提出的减少迟滞的方法主要有：①采用电荷控制方法；②采用压电陶瓷两端串联小电容的方法；③运用模型；④采用电阻和电容组成桥路；⑤压电陶瓷元件位移闭环压电陶瓷作动器是高精度定位中的关键部件，它能满足纳米级定位精度，具有体积小、刚度高、响应快等优点。
然而它的相应位移和驱动电压之间存在着非对称迟滞特性，同时自身的蠕变和环境温度的变化也会造成其定位精度的漂移。
而且压电陶瓷作动器的非对称迟滞特性对控制精度的影响十分显著。
为减少和消除该不利影响，目前主要有两种解决途径：①电荷控制：它需要特别设计的电荷驱动放大器，但该放大器价格昂贵，且存在漂移和过饱和等问题，因而极大的限制了其应用；②电压控制：需要建立非线性迟滞的数学模型，并通过逆模型前馈补偿来控制精度。
电压控制逐渐成为压电陶瓷作动器精密控制的首选方案，其关键是非线性迟滞的精确建模。
对于迟滞特性建模存在两个困难：1)非局部存储现象．2)上升曲线和下降曲线是不对称曲线迟滞模型的研究主要分为两个方向：一种是基于机理的物理模型，从基本物理原理出发描述物理特性；如Maxwell模型，Jiles-Atherton模型，Duherm模型。
压电陶瓷
01
压电陶瓷的原 理及应用
压电陶瓷的 性能参数
03
02
04
压电陶瓷的制 作工艺
压电陶瓷的 研究现状
压电陶瓷的原理及应用
）
压电陶瓷是一种将机械能与电能相互转换的功能陶瓷
压电陶瓷点火器 深大材料学院
压电陶瓷加湿器
压电陶瓷的原理及应用
）
压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。 压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。
深大材料学院
压电陶瓷的制作工艺
干压成型是将经过造粒的瓷料装入一定形状的钢模内， 借助于模塞，在一定外力下压制成坯体。
）
加压方式
干压成型一般分单向加压和双向加压两种方式。较薄 制品可采用单向加压方式；厚制品宜采用双向加压，以 使坯体内密度较均匀。
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压电陶瓷的制作工艺 排塑
粘合剂是一种还原性强的物质，压电瓷料干压成型主要 使用聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PGE）。在成型以后需要 升温将其排出，以避免影响烧结质量，这一工序称为排塑。 为了防止还原作用，排塑时要保证较好的通风条件。
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压电陶瓷的制作工艺
）
2) 材料类型
① 接收型压电陶瓷材料 已引入了降低电导率和老化率的高价施主杂质，原料中 在0.5%以内的杂质不足以显著影响施主杂质的既定作用。 ② 发射型压电陶瓷材料 要求低机电损耗，因而配料中的杂质总量，愈少愈好， 一般希望在0.05%以下。对于为了提高其它性能参数的有意 添加物，另当别论。
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压电陶瓷的原理及应用
）
这种电极化不是由外电场产生，而是由晶体自身 产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为 居里温度。
压电陶瓷声阻抗
压电陶瓷声阻抗压电陶瓷声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。
压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应，即在施加力或压力时会产生电荷分离。
由于压电陶瓷具有可逆的压电效应和逆压电效应，使得它在许多领域中得到广泛应用。
声阻抗是声波传播过程中介质对声波的阻抗，它包括声波在空气和介质之间的传播阻抗和介质本身的阻抗。
而压电陶瓷的声阻抗与其压电性能密切相关。
压电陶瓷的声阻抗与其物理特性密切相关。
首先，压电陶瓷的声阻抗与其压电系数有关。
压电系数是指材料在压电效应下产生的电荷与压力或应变之间的比例关系。
压电陶瓷的压电效应使得其能够将声波转换为电信号或反过来，将电信号转换为声波。
其次，压电陶瓷的声阻抗与其密度和声速有关。
密度越大，声阻抗越大；声速越小，声阻抗越小。
最后，压电陶瓷的声阻抗还与其厚度有关。
压电陶瓷越厚，声阻抗越大。
压电陶瓷的声阻抗对于一些特定应用非常重要。
例如，在无损检测中，声阻抗的匹配可以增强信号的传输和检测的准确性。
同时，在超声波治疗中，声阻抗的匹配可以提高能量的传递效率，从而更好地治疗病变组织。
此外，在声纳系统和声学传感器中，压电陶瓷的声阻抗也是关键参数，它可以影响声波的传播和接收效果。
为了提高压电陶瓷的声阻抗匹配，可以采取一些措施。
首先，可以通过改变压电陶瓷的尺寸和厚度来调节声阻抗。
其次，可以利用特殊的耦合层或缓冲层来增加声阻抗的匹配性能。
还可以通过选择合适的接触材料和设计合适的结构来提高声阻抗的匹配效果。
总之，压电陶瓷的声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。
它与压电陶瓷的物理特性密切相关，包括压电系数、密度、声速和厚度等。
压电陶瓷的声阻抗对于一些应用非常重要，如无损检测、超声波治疗和声纳系统等。
为了提高声阻抗的匹配性能，可以采取一些措施，如改变尺寸和厚度、使用耦合层和设计合适的结构等。
通过优化声阻抗的匹配，可以提高压电陶瓷的应用效果。
半导体(压电陶瓷)
压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。
随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。
因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。
压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。
其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。
1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有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。
反之,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不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。
1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。
当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。
但实际是有损耗的。
有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。
压电陶瓷的耐压值
压电陶瓷的耐压值
压电陶瓷的耐压值是指在施加电场时，能够承受的最大电压，常用单位为伏/米（V/m）。
压电陶瓷作为一种重要的功能材料，其耐压值的大小直接影响其在实际应用中的使用效果和稳定性。
以下是压电陶瓷耐压值的一些相关信息：
一、影响耐压值的因素
压电陶瓷耐压值的大小与材料的物理性能、制备工艺、以及使用环境等因素密切相关。
其中，陶瓷的绝缘性、氧化物的含量、晶体粒度和晶面取向等方面的因素都会对其耐压值产生一定的影响。
二、常见压电陶瓷的耐压值
1. PZT系列压电陶瓷：经过不同的制备方法和工艺控制，其耐压值可在几百伏/米至数千伏/米之间变化。
2. BNKT系列压电陶瓷：耐压值通常为500-1000伏/米左右。
3. ZnO系列压电陶瓷：耐压值一般不高，通常在50-100伏/米之间。
三、如何提高压电陶瓷的耐压值
1. 优化粉体制备和成型工艺，控制氧化物的含量和晶体粒度。
2. 使用较高纯度的原材料，并采用较为严格的固相反应制备工艺。
3. 设计合理的电极结构，进行电极材料的优化选择。
4. 控制冷等静压工艺参数，提高产品的致密度和杂质含量。
总的来说，压电陶瓷的耐压值是一个综合因素，受多个方面因素的影响。
因此，在使用压电陶瓷的过程中，需要根据具体的应用环境和要求，选择合适的压电陶瓷材料和制备工艺，以保证其稳定性和可靠性。
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压电性能：
压电常数是表征压电体的弹性效应和电极化效应相互耦合关系的宏观物理量。
压电常数越大,表明材料弹性性能与介电性能之间的耦合越强。
（耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络等的输入与输出之间存在
紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。
即耦合是两者相互作用的现象。
）
分为压电应变常数d ij和压电电压常数g ij。
D33:（纵向压电应变常数）d33是针对正压电效应来说的，而g33是针对逆压电效应来说的
纵向压电应变常数对d33是压电材料在纵向应力作用下,在纵向产生电荷强弱的描述。
压电复合材料样品的d33采用准静态法测量lzl,测量原理依据正压电效应。