压电陶瓷物理性能与压电方程
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。
压电陶瓷的压电常数
压电陶瓷的压电常数
压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
压电效应是指在施加机械应力或电场时，产生相应的电荷或电压，反过来，当给予该材料电压或电场时，也会引发相应的机械行为。
压电陶瓷之所以能够产生压电效应，主要归功于它的晶体结构和特定的化学成分。
压电常数是用来衡量压电陶瓷材料压电特性的物理量。
压电常数分为两个方向：d系数和g系数。
d系数也称为压电应变常数，用字母d表示。
它表示单位电压下单位厚度的变化量。
d系数是量化了压电陶瓷在电场刺激下的应变能力，是一个重要的性能指标。
在应用中，d系数通常是通过压电陶瓷试件的厚度测量得到的。
g系数也称为压电电压常数，用字母g表示。
它表示单位力的作用下单位面积的电荷量。
g系数是压电材料在受到力的作用下，产生的电荷量与力的关系。
g系数的测量是通过施加力并测量所产生的电势差来获得的。
压电常数的大小直接影响着压电陶瓷的性能。
通常来说，较大的压电常数意味着更高的应变或电荷输出，因此，选择具有较大压电常数的压电陶瓷材料可以提高设备的灵敏度和效率。
此外，压电常数还与温度有关。
一些压电陶瓷具有温度补偿特性，即在一定温度范围内，其压电常数保持稳定，不会因温度的变化而发生明显的变化。
这种温度补偿特性使得压电陶瓷在不同环境条件下的应用更加可靠和稳定。
总之，压电陶瓷的压电常数是衡量其压电性能的重要物理量。
通过研究和了解压电常数，可以选择适合特定应用需求的压电陶瓷材料，并优化相关设备的设计和性能，提高产品的质量和效率。
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造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作， 产生交变的机械振动，用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作，产生强烈的机械振动或变形 ，用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料，如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大， 极化程度越高，压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少，性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大，机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数，能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性，可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性，不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性，可以将太阳能转换为电能，提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器，实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景，如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性，制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
完整版压电陶瓷片的原理及特性
完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。
压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。
这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。
压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。
它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。
这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。
2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。
这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。
3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。
因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。
4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。
它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。
5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。
这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。
6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。
7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。
可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。
总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。
这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。
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。
压电陶瓷的压电常数
压电陶瓷的压电常数1. 引言压电陶瓷是一种特殊的功能陶瓷材料，具有压电效应。
压电效应是指在外加电场或机械应力下，压电陶瓷会产生电荷分离和极化现象，从而产生机械变形或电压输出。
压电常数是评估压电陶瓷材料压电性能的重要指标之一。
本文将详细介绍压电陶瓷的压电常数及其相关知识。
2. 压电效应的基本原理压电效应是指在某些晶体结构中，当施加外力或电场时，晶体会发生形变或产生电荷分离。
这种效应是由于晶体内部存在着不对称的电荷分布，导致晶体在外力或电场的作用下发生极化。
压电效应可以分为直接压电效应和逆压电效应两种。
•直接压电效应：当施加机械应力时，晶体会产生电势差。
这是由于晶体内部的正负电荷分布不对称，机械应力会改变电荷分布，从而产生电势差。
•逆压电效应：当施加电场时，晶体会发生形变。
这是由于电场会改变晶体内部的电荷分布，导致晶体发生形变。
3. 压电常数的定义和计算方法压电常数是评估压电材料压电性能的重要参数。
它描述了压电材料在单位电场或应力下的电荷分离和极化程度。
压电常数可以分为压电应力常数（d）和压电电容常数（k）两种。
•压电应力常数（d）：压电应力常数描述了压电材料在单位电场下的应力变化。
它的单位是库仑/牛顿（C/N）。
•压电电容常数（k）：压电电容常数描述了压电材料在单位应力下的电容变化。
它的单位是法拉/米（F/m）。
压电常数的计算方法可以通过实验测量得到，也可以通过理论计算得到。
实验测量方法包括经典方法和自激振荡法。
理论计算方法包括分子动力学模拟和第一性原理计算等。
4. 压电陶瓷的应用领域压电陶瓷具有良好的压电性能，被广泛应用于各个领域。
以下是几个主要的应用领域：4.1 声波传感器压电陶瓷可以将声波转换为电信号，用于声波传感器。
声波传感器广泛应用于声学测量、无损检测等领域。
4.2 压电陶瓷驱动器压电陶瓷可以通过施加电场或机械应力来产生形变，被用作驱动器。
压电陶瓷驱动器被广泛应用于精密定位、精密控制等领域。
压电方程解析
式中，h—压电应力常数；ht—h 的转置。βS为恒应变下（夹紧）的介质隔离率；cD为恒电位移（开路）时弹性刚度系数。 理解并掌握了压电理论的基础知识、熟悉压电陶瓷的极化和压电方程等对于全面理解压电换能器的工作原理提供了相关的贴吧 | 浏览(930) | 评论 (0)
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式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e 的转置。εS为应变恒定时的介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路） 的弹性刚度系数。
第三类压电方程边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量：
/%B7%BF%B6%F7%BA%EA/blog/item/2721b560d4704b41ebf8f834.html[1/6/2011 6:45:27 PM]
式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。 式中d为压电常数，dT—d 的转置；s—弹性柔顺常数；ε— 介电常数。而εT和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时 的弹性柔顺系数。 第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应 用的就是这个方程）：B7%BF%B6%F7%BA%EA/blog/item/2721b560d4704b41ebf8f834.html[1/6/2011 6:45:27 PM]t
特种陶瓷压电陶瓷的性能与结构
结课论文开题报告2014 年4月 13日特种陶瓷的力学性能与压电陶瓷的结构原理和性能参数引言： 随着新技术革命的，功能陶瓷愈来愈受到世界各国的重视，品种日益增多，应用也愈来愈普遍。
几乎在工业、宇航、军工等所有的领域都可以找到特种题 目: 特种陶瓷的力学性能与压电陶瓷的结构原理和性能参数学 院： 化学工程学院专业班级： 材料化学112班学生姓名： 顾鹏 学 号： 2011121272 指导教师：陶瓷的应用。
应该指出，许多陶瓷都具有十分优异的综合性能。
摘要：特种陶瓷是发展高新技术的物质基础，也是改造传统产业的必备条件，因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域之一。
特种陶瓷是新材料的一个组成部分，由于它具有其他材料所没有的各种优良性能，耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀、优异的电、磁、声、光等物理特点，它在国民中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料，在国防现代化建设中，武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。
除此之外，在当今世界各国把环境保护作为重要的问题来考虑时，以环境保护、生活优化为背景的环境净化功能陶瓷的研究与开发也必然对改善人类生存环境，实施可持续发展战略起到积极的推动作用。
Abstract: special ceramics is the material basis for the development of high technology, is the transformation of traditional industries essential condition, so the materials science is listed as the six major high-tech fields. Special ceramics is a part of the new material, because it has excellent resistance to various other materials do not have, high temperature resistance, high strength, light weight, corrosion resistance, wear resistance, excellent electrical, magnetic, acoustic, optical and other physical characteristics, it is in the national energy, electronics, aerospace, machinery, automobile, metallurgy and biological aspects have broad application prospects, has become the industry technology is the key technology in the essential material, in the modernization of national defense construction, the development of weapons and equipment also cannot do without special ceramic materials. In addition, the environmental protection as an important consideration in the world, with environmental protection, life optimization as the background of the environmental research and development of functional ceramics are bound to improve human living environment, implementing the strategy of sustainable development plays a positive role in promoting.关键词：特种陶瓷、压电陶瓷、性能1特种陶瓷定义特种陶瓷又称精细陶瓷，按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大 ... 在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料，经过1360度左右高温烧结成型，从而获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能。
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3．极化强度
极化强度：单位体积内电矩的矢量和。 p pi/V
压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章， 沿空间各方向均匀分布。因此电矩的矢量和为0，即极化 强度为0。这种状态，被称为去极化状态。
习题
1. 压电陶瓷PZT的优点、分类？ 2. 晶胞常数有哪些？ 3. 钙钛矿结构特点与各离子在晶胞中的位置？ 4. 自发形变、自发极化（及其方向） 5. 极化强度 6. 去极化状态
• 高静压力对材料性能的影响
第一节 结束
第二节 压电陶瓷的内部结构
晶态固体（晶体）：食盐、云母、金刚石 非晶态固体：玻璃、松香、塑料
○ 晶体具有对称的外形，非晶体则没有；
○ 一些物理性质各向异性，如：杨氏模量、硬度、折射率、电阻率、磁化 率，非晶体则是各向同性的； ○ 晶体具有熔点，非晶体没有； ○ 晶体在外力的作用下，容易沿着一定的平面裂开，这平面称为解理面， 而非晶体没有解理面。 ○ 组成晶体的分子、原子或离子有规则的周期性地排列，称为晶体点阵结 构，非晶体的微粒没有排列规则；
在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关 •t＞Tc(居里温度)，立方晶胞 •t＜Tc，c边增大，a,b边缩小，四角晶胞(菱方晶胞) 由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称 自发形变。
由于压电陶瓷具有钙钛矿结构ABO3 • t＞Tc(居里温度)，立方晶胞中正负离子的对称中心重合，
第三节 压电陶瓷的介电性能
一、极化过程
压电陶瓷是电介质，置于电场中将会被极化，产生 一定的极化强度，极化强度的大小随电场的增大而增大。 这一过程称为极化过程。
第三节 压电陶瓷的介电性能
剩余极化状态
将压电陶瓷置于电场中，它的极 化强度将随电场强度的增大而增大。 在到达C点处达到饱和。若逐渐减小 电场强度，极化强度将沿着另一条曲 线逐渐减小。当电场降为0时，极化
测试
极化Байду номын сангаас
上电极
烧成
排塑
四、压电陶瓷的性能
• 老化：压电陶瓷在经过极化、上电极是暂时加热到高温或
其他较大的扰动后，其参数将随时间变化称为老化。
• 居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度 时，压电性能会完全消失。
• 电退极化：在压电陶瓷上加与原极化电场反向的强电场， 将引起退极化。
• 抗张强度：抗张强度« 抗压强度
晶体的结构特点是晶胞周期性重复排列，为描述晶胞的几何特征， 通常用晶胞的三个边长a,b,c和三边的夹角α,β,γ 来描述晶胞的大小和 形状，称为晶胞常数。
a ＝ b＝c α=β=γ=90° 立方晶胞，构成的晶体称为立方晶系 a≠b ≠ c α=β=γ=90° 四角晶胞，构成的晶体称为四角晶系 a ＝ b＝c α,β,γ ≠ 90° 菱方晶胞，构成的晶体称为三角晶系
单晶体：组成整块晶体的微粒都按一定的规则排列，如天然生 长的方解石，人工培养的单晶硅、红宝石。 多晶体： 有些晶体的晶粒内的微粒是规则排列，但晶粒的大 小和形状不同，取向也是凌乱的，因此无明显的规则外形，也 不表现出各向异性，成为多晶体。
一、晶体的内部结构
常用压电陶瓷是多晶体，有多个小晶粒组成。根据实验分析，晶 粒内部原子或离子有空间的周期性排列的特点。整个晶粒就像小格子 在三维空间中重复出现形成的。这种小格子称为晶胞。每个晶粒内的 粒子子都是规则排列，但各晶粒间排列方向不一致，因此从整体的角 度看是杂乱无章的。
压电陶瓷属于钙钛矿结构(CaTiO3),其共同特点是：
• 分子式可以写成ABO3形式，A是二价正离子(Pb2+,Ba2+ ), B是四价正离子(Ti4+,Zr4+ ),
• 相应的离子在晶胞中的位置也相同 A位于六面体的八个顶点上，B位于六面体中心，O2-位于六个 面的面心
二、自发形变与自发极化
1．自发形变
◎ PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间稳 定性。
◎ PZT8(大功率发射型)：高抗张强度和稳定性，高机械Q值， 适合大振幅激励。
3．其他压电陶瓷
• 偏铌酸铅 PbNb2O6 • 铌酸钾钠 (K,Na)NbO3 • 钛酸铅 PbTiO3
三、压电陶瓷的生产工艺
配方
混合
预烧
粉碎
成型
• 1947-1949，发现了钛酸钡的压电性，并解决极化问题； • 1950年，确定了锆钛酸铅（PZT）的铁电性质； • 1954年，发现了PZT有非常强和稳定的压电性，PZT的发
现使压电陶瓷得到了迅速推广和广泛应用。
二、压电陶瓷的分类
1．钛酸钡 BaTiO3
• 优点：机电耦合系数高、化学性质稳定 • 缺点：居里点低115°，机电性能常温下不稳定，
强度保留在某一个值 P，r 称为剩余极
化强度。
继续加反向电场，直到该电场加到 E c，极化强度才变为0。
这个电场称为矫顽电场。循环一周，就可以得到一个封闭的曲 线，称为电滞回线。具有这种功能的材料被称为铁电材料。
换能器技术课程
第一章 压电陶瓷的物理性能 与压电方程
主要内容
第一节 压电陶瓷简介 第二节 压电陶瓷的内部结构 第三节 压电陶瓷的介电性能 第四节 压电陶瓷的弹性性能 第五节 压电性能和压电方程
第一节 压电陶瓷简介
一、压电陶瓷的产生与发展
• 1945年前后，苏联、英美日等国各自独立地发现了钛酸 钡压电陶瓷的高介电常数和铁电性；
不呈电性； • t＜Tc，晶格变为四角晶胞，晶胞中正负离子的对称中心不
再重合，产生电矩。
电偶极子：一对带有相同电量q，相距l的正负电荷。
电矩：电量q与矢径 l的乘积。
pql
l
2．自发极化
在居里温度Tc以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产 生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。
强电场下介电损耗大，老化率较大
2．锆钛酸铅（PZT） Pb(ZrxTi1-x)O3
• 压电性能优异；居里点高 300-400°，温度稳定性好； • 机械强度大；化学惰性；制作方便； • 可改变化学组分，添加杂质，适合各种需求
锆钛酸铅压电陶瓷分类：
◎ PZT4(发射型)：低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场、 介电常数、机电耦合系数、压电常数，适合强电场、大振幅 激励，用作发射。