锆钛酸铅系压电陶瓷
压电材料、原理、应用精讲
z
x
y
o
01
PART ONE
石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
d11——x方向受力,x方向产生电量的压电系数
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx，其大小为
32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。
自发极化
所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动
Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
N15=fr×lt
D为圆片的直径
t为薄板的厚度
l为棒的长度
lt为薄板的厚度
6.2.2 压电材料简要发展历史
02
1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。
2、机电耦合系数Kp
ห้องสมุดไป่ตู้
01
伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。
02
包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。
03
切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。
04
包括平面切变振动、厚度切变振动。
05
纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。
06
横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。
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: 022LL 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。
压电效应材料的组成
压电效应材料的组成压电效应是指某些晶体材料在受到外力作用时，会产生电荷分离现象，从而产生电压。
这种效应被广泛应用于声波发生器、压力传感器、振动传感器等各种应用中。
在压电效应的实现中，材料的组成起着重要的作用。
本文将介绍几种常见的压电材料及其组成。
1. 铅锆钛酸钛（PZT）：铅锆钛酸钛是一种经典的压电材料，由铅酸钛和锆酸钛组成。
铅锆钛酸钛具有优异的压电性能和储能性能，被广泛应用于超声波传感器、压电陶瓷换能器等领域。
其主要成分是铅、锆、钛等元素，通过合适的比例混合制备而成。
2. 锆钛酸铅（PTZ）：锆钛酸铅是另一种常见的压电材料，由铅酸钛和锆酸钛组成。
与PZT相比，PTZ具有更高的压电系数和更宽的工作温度范围。
PTZ通常由铅、锆、钛等元素按照特定的配比制备而成。
3. 铁电材料：除了铅锆钛酸钛和锆钛酸铅，还有一些其他的铁电材料也具有压电效应。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，常见的有钛酸锶钡（SBS）、钛酸铋镧（BLT）等。
这些材料的主要成分包括钛、锶、钡、铋、镧等元素，通过合适的比例混合制备而成。
4. 聚合物压电材料：除了无机压电材料，还有一类聚合物也具有压电效应。
聚合物压电材料主要由聚合物基质和压电填料组成。
常见的聚合物基质有聚乙烯、聚丙烯等，而压电填料则通常是铅锆钛酸钛或锆钛酸铅等无机压电材料微粒。
通过将聚合物基质和压电填料进行混合、加工制备而成。
压电效应材料的组成对于其性能和应用具有重要影响。
不同的材料组成会导致其具有不同的压电性能、工作温度范围、机械强度等特点。
在选择压电材料时，需要根据具体的应用需求来确定合适的材料组成。
同时，材料的制备工艺也对其性能有影响，需要采用适当的方法进行制备和加工。
压电效应材料的组成是实现压电效应的关键。
常见的压电材料包括铅锆钛酸钛、锆钛酸铅、铁电材料和聚合物压电材料等。
它们的组成对于其性能和应用具有重要影响，需要根据具体需求选择合适的材料组成。
在制备和加工过程中，也需要采用适当的方法来提高材料的性能和稳定性。
压电陶瓷的物理性能与压电方程
锆钛酸铅压电陶瓷分类： 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 PZT4(发射型) 发射型 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。 ◎ PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间 PZT5(接收型) 接收型 稳定性。 ◎ PZT8(大功率发射型)：高抗张强度和稳定性，高机械Q值， PZT8(大功率发射型) 大功率发射型 适合大振幅激励。
相应的电路如图所示，其中压电陶瓷的电阻抗 ′′ ′ 1 1 1 d d （ε 33 − jε 33） Z= = = ⋅ = ⋅ ′ ′′ ′′ ′ ′′ ′ jωC jω (ε 33 − jε 33 ) S ωS （ε 33 + jε 33） ωS （ε 332 + ε 332） d
′′ ε 33 1 d 称为介质损耗阻 R′ = = ⋅ 2 2 Y ′ ωS （ε 33 + ε 33 ） ′′ ′
二、自发形变与自发极化
1．自发形变
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， 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。 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， 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。
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 去极化状态。 去极化状态
3.2压电式压力传感器解析
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 交通监测
将高分子压电电 缆埋在公路上，可以 获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎）、 车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数 据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
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。
深大材料学院
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。
深大材料学院
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。
深大材料学院
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。
20091116压电陶瓷性能的老化与改善途径
压电陶瓷性能的老化与改善途径1 压电陶瓷性能老化的定义、规律及重要性极化处理后的压电陶瓷性能随存放时间的延长而变化的现象，称为其性能的老化(ageing)。
压电陶瓷放置的时间越长，总的变化量越大，但变化的速度会逐渐减缓。
这个变化是不可逆的，除非其受到新的激励和干扰(如重新人工极化处理等)，否则不会再具有原来水平的性能。
一般规律是:介电常数、介电损耗、压电常数、弹性柔顺系数都变小；而频率常数、机械品质因数值变大。
而发现这些性能参数的变化基本上与时间的对数呈线性关系，即111()()lg ()y t y t t A y t t -= （1） 式中y 代表陶瓷材料的性能参数，y(t 1)是极化处理以后单位时间t 1（例如1天等）测得的该参数的值，y(t)是极化以后经过t 时间（例如100天等）后测得的值；t 1及t 以天数或小时数表示。
A 为常数，称为老化率。
若取以10为底的对数，求得的A 称为十倍时间老化率。
显然，∣A ∣越小，材料的稳定性就越好。
图1表示了BaTiO 3压电陶瓷性能参数的老化情况（以时间对数作横坐标的半对数作图）。
可以看出随着时间的延长，变化趋缓。
A 代表图线的斜率。
A ＞0，表示该参数随时间变大；A ＜0，表示该参数随时间变小。
图1 典型的BaTiO 3压电陶瓷性能参数的经时变化实验研究表明，A 的典型数值，对于谐振频率常数，在0.05%至1.5%之间，对于压电耦合系数与介电系数，A 值在-0.5%至-5%范围内。
介电损耗的A 为高负值，机械品质因数的A 为较高的正值。
必须指出，式（1）只是一个近似公式。
事实上，A 不是常数，否则按（1）式的变化规律，在足够长的时间以后，参数值趋向零或无穷大，而实际情况并不是这样。
图2为代表性PZT 压电陶瓷性能参数的老化情况。
可以看出，各项参数的老化率A 随时间有小的变化，半对数坐标作图的结果不是直线。
老化率A 的测定方法：按照有关参数的测试方法，测出第101天、第102天、第103天的参数值，然后按式（1）便可算出A 值。
压电陶瓷简介
使压电材料的压电效应消失的温度。
压电材料的主要特性
转换性能：要求具有较大的压电常数。
机械性能：机械强度高、刚度大。 电性能：高电阻率和大介电常数。
环境适应性：温度和湿度稳定性要好，要求具
有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。
E贮 机械品质因子Qm : Qm E损
压电晶片在谐振时贮存的机械能E贮与在一个周期内损耗的能 量E损之比称为机械品质因子Qm。
压电材料的主要性能参数
cL (常数） 频率常数Nt: N t tf 0 2
压电晶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。
奥迪威公司压电蜂鸣片
电声元件
开放式超声波传感器
超声波雾化片
奥迪威其它压电产品
超声波马达
C-171微型旋转陶瓷电机
超声波压电陶瓷电机
液晶电视用模组
压电陶ห้องสมุดไป่ตู้点火器
谢谢
压电陶瓷历史
1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水
下发射和接收 换能器，这是最早的压电换能器， 并用于探测水下的物体。 1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械 谐振频率特有的电性能，导致罗息盐电声组件问 世。 1921年 相继研制成功石英谐振器和滤波器，开创 了压电效应在稳频、计时和电子技术方面 的应用。
压电材料应用
压电陶瓷按照应用分类共分为七大类： 压电振荡器及材料 压电声电组件：蜂鸣器、送话器、受话器、压电喇叭 压电超音波换能器：超音波清洗、超音波雾化、超音波美容、 超音波探测 信息处理组件：滤波器、谐振器、检波器、监频器、表面声波、 延迟线 动力装置：点火器、超音波切割、超音波粘接、压电马达、压 电变压器 压电传感器：速度、加速度计、角速度计、微位移器 光电组件：光调节器、光调节阀、光电显示、光信息储存、影 象储存和显示 目前市场容量最大的组件是频率组件，主要包括滤波器和谐振器。