压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数
压电陶瓷性能实验报告
一、实验目的1. 了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2. 掌握压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3. 通过实验，掌握压电陶瓷的性能测试方法，并对实验数据进行处理和分析。
二、实验原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，当受到外力作用时，会在其表面产生电荷；反之，当施加电场时，压电陶瓷会产生形变。
压电陶瓷的性能主要包括压电系数、介电常数、损耗角正切、机械品质因数等。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：压电陶瓷样品2. 实验仪器：（1）电容测微仪（2）机械标定仪（3）直流电源（4）扫描隧道显微镜（5）谐振法测定仪（6）准静态法测定仪四、实验步骤1. 样品准备：将压电陶瓷样品清洗干净，并用无水乙醇进行脱脂处理。
2. 压电陶瓷性能测试：（1）电容测微仪测试：将压电陶瓷样品固定在电容测微仪上，通过改变直流电压，观察样品的轴向变形和弯曲变形。
（2）谐振法测定：将压电陶瓷样品固定在谐振法测定仪上，测量样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
（3）准静态法测定：将压电陶瓷样品固定在准静态法测定仪上，测量样品的压电常数d33。
3. 数据处理与分析：将实验数据输入计算机，进行数据处理和分析，得出压电陶瓷的性能参数。
五、实验结果与分析1. 电容测微仪测试结果：通过电容测微仪测试，得出压电陶瓷样品的轴向变形和弯曲变形与电压的关系曲线。
根据曲线，计算出样品的压电系数。
2. 谐振法测定结果：通过谐振法测定，得出压电陶瓷样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
根据曲线，计算出样品的介电常数和损耗角正切。
3. 准静态法测定结果：通过准静态法测定，得出压电陶瓷样品的压电常数d33。
根据测定结果，分析样品的压电性能。
六、实验结论1. 压电陶瓷样品具有良好的压电性能，满足实验要求。
2. 实验过程中，通过电容测微仪、谐振法测定和准静态法测定，分别获得了压电陶瓷样品的轴向变形、弯曲变形、频率响应曲线、压电耦合系数、介电常数、损耗角正切和压电常数等性能参数。
压电陶瓷压力与应电压曲线测试分析
5、根据实验数据，计算压电陶瓷片的压电常数等参数。
参考内容二
引言
压电陶瓷是一种具有特殊电学性质的陶瓷材料，具有广泛的应用前景，如超 声波探测、医学成像、传感测量等领域。为了更好地发挥压电陶瓷的特性，本次 演示将对压电陶瓷的特性进行详细分析，并通过实验测试探究其性能表现。
实验测试
为了验证压电陶瓷的特性，我们设计了一系列实验测试。首先，我们选取了 一种常见的压电陶瓷材料，按照一定比例制备成试样。接着，我们对试样进行了 静电力学测试，以评估其压电性能。实验过程中，我们将试样置于应变模式下， 通过调节电压，观察试样的形变情况。同时，我们用万用表测量了试样的电阻值， 以评估其绝缘性能。
背景
压电陶瓷是一种可产生压电效应的陶瓷材料。压电效应是指材料在受到机械 应力作用时，会产生电荷，形成电场；或者在电场作用下，会产生机械形变。压 电陶瓷的这种特性使得它成为一种重要的电子材料，可用于各种能量转换和传感 应用。
特性分析
1、特点
压电陶瓷具有许多特点，如高灵敏度、高分辨率、低噪声等。这些特点使得 压电陶瓷在许多领域中具有独特的应用优势。此外，压电陶瓷的响应时间快、温 度稳定性好，可适用于各种复杂环境。
3、通过对比不同温度下的测试结果，发现温度对压电陶瓷材料的压电性能 也有一定影响，高温条件下材料的压电性能会有所提高。
4、在相同压力下，材料的应电压会随着温度的升高而降低，这可能是由于 高温下材料的热膨胀系数发生变化所致。
参考内容
引言
压电陶瓷片是一种具有压电特性的无机非金属材料，具有优异的机电耦合性 能和频率稳定性。压电陶瓷片的压电特性是指其在受到机械应力时会产生电场， 反之，在电场作用下会产生机械形变。这种特性被广泛应用于超声波换能器、振 动传感器、音频设备等众多领域。本次演示将介绍一种测试与分析压电陶瓷片压 电特性的方法，以期为相关领域的研究与应用提供参考。
压电陶瓷的测试-
第二章压电陶瓷测试2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试2.4.1 NBT基陶瓷的极化1. 试样的制备为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。
烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。
电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。
首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。
然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。
将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。
2. NBT基压电材料的极化利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。
极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。
经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。
对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。
决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。
为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。
2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试1．压电振子及其等效电路图2.11 压电振子的等效电路利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。
第六章 压电陶瓷
随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来 越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和 开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。
第六章 压电陶瓷
二、压电效应 压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当 不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所 以其内部电场为零。 但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷 分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生 一个电场，这个电场就表现为压电效应。
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因
数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。 机械品质因数Qm的定义式是：
谐振时振子储存的机械 能
Qm 2 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
Qm
2fr R(C0
f
2 a
C1
)(
f
2 a
fr2 )
其中：
fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
第六章 压电陶瓷
d (pC/N) 33Fra bibliotek360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
0.44
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
Composition(x)
第六章 压电陶瓷
Q m
k p
1600
kp
0.60
Qm
1500
压电陶瓷主要参数-泊松比σ与居里点
泊松比是由均已分布的垂直应力所经起的横向应变与相应的垂直应变之比
泊松比是由均已分布的垂直应力所经起的横向应变与相应的垂直应变之比。
泊松ห้องสมุดไป่ตู้是一个与谐振频率和耦合区域的共振相关的量。
压电体的电介（常数）ε随着温度T的上升变化到无穷大。结果，晶体变得不稳定，晶体系统将迅速改变对边界的一个特定的温度θ。
这个温度θ是一个居里点，并显示了临输出温度为散失极化和压电特性的。介电常数ε从高温区变化遵特以下公式：
压电陶瓷基本知识概要
石英晶体和压电陶瓷的比较
➢ 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达573℃），稳定性好，精度高( 精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点 ，石英要高4～10倍以上）。
压电陶瓷的主要性能参数
对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的，即有关系：
对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声换能器）的材料来说，希望具有大的压电 应变常数d。
常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向； 第二位数字表示机械振动方向）。
电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：
压电陶瓷的基本概念 ➢ 压电效应的本质
F
－－－－－
－
＋＋＋＋＋ Ｅ
极化方向
－－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图
（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后 的情况）
正压电效应本质：机械作用引起介质极化。 逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
电
极化 方向
场 方
向
－－－－－－
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低 (120～360℃)，精度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体 ，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL 趋于无穷大时，其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频 作用下，电荷才能得以补充，因此从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
13-压电和热释电陶瓷
ABO3化合物与离子半径
１、具有ABO3形式的化学分子式的晶体，不 可能都是属于钙钛矿型结构； ２、A离子半径与氧离子半径相近，而B离子 半径远小于氧离子半径的ABO3形式化合物， 才能形成钙钛矿型结构。 结论2: 压电陶瓷晶体结构中,晶胞的B位离子可以移 动。
压电固溶体
目前生产的压电陶瓷材料，除了采用单一的 化合物（如BaTiO3陶瓷或者PbTiO3陶瓷）外， 还可采用两种或两种以上的ABO3形式（也有 一些不是ABO3形式）化合物所形成的固溶体。 目前应用最广泛的锆钛酸铅（简写成PZT）， 就是锆酸铅—钛酸铅的固溶体。 常见的固溶体有两种：
当晶胞沿a轴和b轴方向收缩时，就可能把上、下 底面中心的两个氧原子(氧上和氧下)挤出铅离子 中心所在的平面。四个氧离子（氧前、氧后、 氧左、氧右）则因c轴有所伸长，不会被挤出铅离 子所在的平面。 当氧上和氧下离子向下挤出时，氧上离子与钛离子 的距离缩短，氧下离子与钛离子的距离伸长，钛 离子受到氧上离子的作用大于氧下离子的作用， 因而向上位移，晶胞出现了极化。
压电测微
压电陶瓷为什么具有压电效应？
压电陶瓷本身的结构决定。
13.1.1 压电陶瓷多晶结构
13.1.1.1 压电陶瓷是多晶体 经过研磨、抛光、腐蚀后，压电陶瓷放 在显微镜下观察，可以清楚地看出： （结论1） 整个陶瓷体是由一颗颗的小晶粒无规 则地“镶嵌”而成的。
晶胞与压电陶瓷晶粒结构示意图
晶体结构随温度变化情况-Tc
压电材料的晶体结构随温度而变化。 Tc以上， BaTiO3晶格为立方晶系； Tc以下， BaTiO3晶格为四方晶系。 Tc称居 里温度，属相变温度之一。 Tc以上，无压电效应。 Tc以下，有压电效应。
立方晶胞
PZT压电陶瓷介绍和测试方法-PPT精选文档
– 具有显著的介电、压电和铁电特性 – PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点，可在低压和高频条件工作
– 压电厚膜微致动器作为磁记录行业的首选材料，被用来解决硬盘驱动器磁头精确定位的难题
应用范围：机械能电能相互转换类传感器
Q Ua Ca
电荷等效模型
F
压电常数 d
Q=U*C
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
HSA （磁头悬臂装置）结构及功能介绍
PZT元件作用是利用其高压电常数特性，使读写磁头发生水平位移，从而使HSA 水平旋转和 精确寻轨
交变电压
U 型刚体 电荷变化
PZT 元件
位移变化
精确寻轨
HSA
HSA PZT 工作原理
定义
在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料
类别
类 别
石英晶体 压电陶瓷
材 料
单晶体、水晶 （人造、天然） 人造多晶体 压电半导体
成 分
SiO2 钛酸钡、PZT 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力700-1000Kg/cm2 压电系数高 d33=190×10-11C/N 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
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压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数压电陶瓷材料是一种具有压电效应的材料，能够在外加电场或机械应力的作用下产生电荷分离效应。
因此，测试压电陶瓷材料的基本参数是非常重要的，这些参数可以用来评估材料的性能和用途。
以下是测试压电陶瓷材料常用的13个基本参数。
1.电阻：电阻是指材料对电流的阻碍程度。
测试电阻可以了解材料的导电性能和内部结构。
2.电容：电容是指材料对储存电荷的能力。
测试材料的电容可以了解其在电场下的响应能力。
3.线性压电系数：线性压电系数是指材料在外加应力下产生的电荷与应力之间的比例关系。
测试线性压电系数可以了解材料的压电性能。
4.介电常数：介电常数是指材料在电场下的电容性能。
测试介电常数可以了解材料的储存和释放电荷的能力。
5.机械弹性模量：机械弹性模量是指材料在单位应力下的应变程度。
测试机械弹性模量可以了解材料在外力下的变形性能。
6.导电性：导电性是指材料对电流的传输性能。
测试导电性可以
评估材料的导电能力。
7.相对介电常数：相对介电常数是指材料在电场中的电容性能相
对于真空的比例关系。
测试相对介电常数可以了解材料对电场的响应
能力。
8.环境温度：环境温度是指材料所处环境的温度。
测试环境温度
可以了解材料在不同温度下的性能。
9.硬度：硬度是指材料对外力的抵抗能力。
测试硬度可以评估材
料的耐磨性和耐压性能。
10.热膨胀系数：热膨胀系数是指材料随温度变化时的尺寸变化率。
测试热膨胀系数可以了解材料在温度变化时的稳定性。
11.耐压强度：耐压强度是指材料在单位面积下能够承受的最大压力。
测试耐压强度可以评估材料的抗压性能。
12.自由震荡频率：自由震荡频率是指材料在无外界激励下自然振动的频率。
测试自由震荡频率可以了解材料的振动特性。
13.力学损耗因子：力学损耗因子是指材料在振动或应力下的能量损耗程度。
测试力学损耗因子可以评估材料的能量耗散性能。
以上是测试压电陶瓷材料常用的13个基本参数。
通过测试这些参数，可以了解材料的电性能、机械性能和热性能等方面，为材料的研究和应用提供重要参考。