压电陶瓷五种基本机电耦合系数备课讲稿
《压电陶瓷》课件
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
压电陶瓷dcs3参数
压电陶瓷dcs3参数全文共四篇示例，供您参考第一篇示例：压电陶瓷（DCS3）是一种具有压电效应的陶瓷材料，其参数对于压电陶瓷的应用至关重要。
压电陶瓷由于其优异的压电性能、机械性能和化学稳定性，在声学、传感、电声、声表面波设备等领域都有广泛的应用。
在工程领域中，压电陶瓷的参数对于设计和使用压电材料的设备至关重要。
深入了解压电陶瓷DCS3的参数对于工程应用具有重要的意义。
压电陶瓷DCS3的参数之一是压电系数。
压电系数是压电陶瓷材料的一个重要参数，它描述了材料在受到机械应力时产生的电荷量与机械应力的关系。
对于压电陶瓷而言，压电系数的大小直接影响到其在传感、换能器等领域的性能表现。
准确测定和掌握压电陶瓷DCS3的压电系数是非常重要的。
压电陶瓷DCS3的谐振频率也是一个重要参数。
谐振频率是指在给定的尺寸和结构条件下，压电陶瓷在电场作用下产生的机械谐振频率。
该参数直接影响了压电陶瓷在振动传感和滤波器等领域的应用效果。
对于设计和制造具有特定频率响应特性的压电陶瓷设备而言，准确控制谐振频率至关重要。
压电陶瓷DCS3的介电常数也是一个重要的参数。
介电常数描述了材料对电场的响应能力，是一个衡量材料绝缘性能的重要参数。
对于压电陶瓷而言，介电常数的大小直接影响到其在电声换能器、压电陶瓷储能器等设备中的性能表现。
准确掌握压电陶瓷DCS3的介电常数对于实现其在电声应用中的最佳效果至关重要。
压电陶瓷DCS3在不同温度和频率下的参数变化也是需要重点关注的。
由于压电陶瓷在实际工程应用中会受到温度和频率的影响，因此对于其参数随温度和频率的变化规律进行研究和分析，对于完善压电陶瓷材料的工程应用具有重要的意义。
压电陶瓷DCS3的参数对于其在工程应用中的性能表现起着至关重要的作用。
在设计和使用压电陶瓷材料的设备时，需全面了解并准确掌握其各项参数，以确保其在特定应用条件下具有良好的性能表现。
需要加强对其参数变化规律的研究，以进一步完善压电陶瓷材料在工程领域的应用效果。
压电陶瓷的压电系数PPT课件
压电材料
（a）未极化 图5-4 压电陶瓷的极化
（b）电极化
当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，
电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而
在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。
这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机
械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。
压电材料
天然结构定义
• x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压 电效应最强。称为电轴。
• y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最 大，称为机械轴。
• z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
通常把沿电轴x方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械y方向的作用下产生电荷的压 电效应称为“横向压电效应”。而沿光 轴 z 方 向第受10页力/共时32页不 产 生 压 电 效 应 。
它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复 性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高 达100%、稳定性好。
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压电材料
（a）
（b）
图5-2 石英晶体
（c）
天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面 体。石英晶体各个方向的特性是不同的
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电压放大器电荷放大器上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当压电式测力传感器上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当压电式加速度传感器上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当压电式金属加工切削力测量上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当
压电陶瓷性能参数解析
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瓷在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局部：一种为有功局部〔同相〕，由电导过程所引起的；一种为无功局部〔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，IR 大时，tanδ也大；IR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，具有铁电性的压电瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比拟复杂，因此，在此不予详述。
〔3〕弹性常数压电瓷是一种弹性体，它服从胡克定律："在弹性限度围，应力与应变成正比〞。
设应力为T，加于截面积A的压电瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系S=sT (1-5) T=cS (1-6) 式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。
但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。
设有如图1-2所示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。
沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变S1，而在方向2上产生应变S2，由〔1-5〕式不难得出S1=S11T1(1-7)S2=S12T1(1-8)上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比，即(1-9)它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。
6.3压电陶瓷教程
（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。
（6）极化
压电陶瓷的结构
大多数压电陶瓷的结构为ABO3，为钙钛矿结构。
压电陶瓷结构
在居里点以上，钙钛矿结构为有对称中心的立方晶 系，钛离子处于氧八面体中心，中间孔隙大于钛离子 的体积，钛离子可以偏离中心位置，但几率相同，不 显示极性，在居里点以下，晶型转变为四方晶系，C轴 拉长或变短，钛离子偏离中心，形成正负电荷中心不 重合，晶胞产生极化，称为极化，晶体内出现的自发 极化方向一致的小区域叫做电畴。相临个电畴之间的 相交角只能是180或90度。电畴相交的界面叫做畴壁。
目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为压电
压电陶瓷的应用领域
应用领域 举 例
电
源
雷达，电视显像管，高压电源，点火装置
振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器 超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗 滤波器，放大器，振荡器，混频器
信号转换 发射接收 信号处理
传感计测
存贮显示 其 它
加速度计，压力计，角速度计，红外探测器
成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比
为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%； 在90℃下搅拌溶化）。
成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑
或排胶。通常排塑温度800~850℃，保温时间1小时左 右。
（4）烧结
烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范
压电陶瓷ppt课件
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因 而也是压电体。
2
3. 压电陶瓷
陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互 抵消；
人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶 瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电 场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在 陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上 也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压 电陶瓷。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
§9.5 压电陶瓷
压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，
即能进行机械能与电能相互转变的 陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速， 一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用， 甚至超过了压电晶体。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制
材料物理压电陶瓷PPT课件
2021/5/6
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
2
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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量
元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能
的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传
2021/5/6 感器中应用最广泛的压电材料。
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（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的 聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不 存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在 抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成 规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极 子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为 具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容 易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、 稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电 陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。
➢表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度； ➢Qm全面越高，能量损耗就越小； ➢产生的原因是存在内摩擦。
第二讲：压电陶瓷参数及多层压电陶瓷性能及注意事项
Qe
1 tan
测量试样自由电容 CT
测试的精度需要考虑到 • 设备自身的测试精度，温度的精度±2度，电容的测试精度在±10%等等 • 样品的规格要求12mm×6mm×1mm；或者直径l5～20 mm，厚度0.7～1 mm • 工装要求：总分布电容要小于试样室温自由电容的5%，线尽可能短 • 测试过程要求：温度点不少于10个，升（降）温速度不大于3℃/min．在每个 选定的温度点保持一定时间，一般为1h．
2 =0.27 时， K p 2.51
f fr
f fr f
2 =0.30时， K p 2.53
kp
2 1
d 31 s
E T 11 33
2 k31 1
k p k 31
2 =0.36时， K p 2.55 f r
平面机电耦合系数Kp
f s0
f s1 分别为压电振动体基音频率和一次泛音频率，
且一次泛音约是基音频率的2.5～2.6倍。
公式只适合于泊松比从0.27到0.42的情况，0～0.5的情况 可以获得 f s1 f s 0 再查表。
机电耦合系数
Electromechanical coupling factor
表示压电体中机械能与电能之间相互耦合程度的 重要参数，是衡量压电性强弱的重要物理量。 无论执行器还是传感器，都应尽量高；
压电铁电各种物理 参数及其关系
压电陶瓷各种参数
压电陶瓷材料最常用参数
介电性
压电性
弹性
机械自由介电常数T11 、T33 ；机械夹持介电常数 S11 、 S33 d31； d33；d15 s11； s12 ； s13 ； s33 ；s44
介电损耗角正切 tan
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压电陶瓷五种基本机电耦合系数
压电陶瓷常会涉及以下五个基本机电耦合系数：
1.平面机电耦合系数K P：反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数。
2.横向机电耦合系数K31：反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。
3.纵向机电耦合系数K33：反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。
4.厚度伸缩机电耦合系数K T：反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数。
5.厚度切变机电耦合系数K15：反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数。