压电陶瓷的极化详解
压电陶瓷片的原理及特性试验
压电陶瓷片的原理及特性试验
极化压电陶瓷片是一种由极化压电陶瓷制成的特殊功能晶体片，具有
优越的振动、放电和电磁屏蔽特性，在各种振动噪声、主被动设备中
有广泛的应用。
一、极化压电陶瓷片的原理
极化压电陶瓷片的原理是：将极化压电陶瓷放置在一定的电场作用下，当外加振动时，它会产生两类变形：即按照电场方向的拉伸变形和横
向剪切变形。
前者产生位移电势，后者产生垂直变形电位，使极化压
电陶瓷得以工作。
二、极化压电陶瓷片的特性试验
1.快速响应特性
极化压电陶瓷片具有快速响应特性，激振后能够迅速响应，具有良好
的冲击特性，可以将外界振动信号快速转换为能量信号。
2.良好的振动特性
极化压电陶瓷片具有良好的振动特性，能克服振动不均匀性，除去不
需要的振动幅度和频率，进而也减弱相应的噪音。
3.良好的电磁屏蔽特性
极化压电陶瓷片在紊乱的电磁环境中仍能有效屏蔽被干扰，具有良好的等效电阻，能将电磁波转换为热能，使被干扰信号受到有效屏蔽。
4.性能稳定
极化压电陶瓷片具有横向剪切室高灵敏度和高稳定度，其中包括拉伸灵敏度和熔化频率的稳定性。
5.容易分离及复原
极化压电陶瓷片容易分离，不会发生损坏，可以进行快速和高效的组装，同时更替的也非常的简单方便。
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷的工作原理
首先，我们来看压电效应。
当外力作用在压电陶瓷上时，它会引起晶格结构的
畸变，从而使得陶瓷内部产生极化。
这种极化会导致正负电荷的分离，最终产生一个电场，这就是压电效应。
这个电场的大小与施加在压电陶瓷上的力成正比，这就是为什么压电陶瓷可以将机械能转换为电能的原因。
其次，我们来看反压电效应。
当外加电压施加在压电陶瓷上时，它会改变陶瓷
内部的极化方向，从而引起晶格结构的畸变，最终导致陶瓷的形变。
这就是反压电效应，也就是说，压电陶瓷可以将电能转换为机械能。
通过上面的介绍，我们可以看出，压电陶瓷的工作原理是基于压电效应和反压
电效应的相互转换。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在声波传感器、压力传感器、振动传感器等领域有着重要的应用。
同时，在压电陶瓷驱动器、压电陶瓷换能器等方面也有着广泛的应用。
总的来说，压电陶瓷的工作原理是非常特殊和重要的，它的应用领域也非常广泛。
通过对其工作原理的深入理解，我们可以更好地发挥其作用，推动科技的进步，为人类社会的发展做出更大的贡献。
希望本文能够对压电陶瓷的工作原理有所帮助，谢谢阅读。
几种压电陶瓷在极化时声发射特性研究
几种压电陶瓷在极化时声发射特性研究近年来，随着压电陶瓷的技术发展和应用，它的声发射特性也受到了越来越多的关注。
究发现压电陶瓷在极化过程中会产生明显的声波发射，这种特性可以用来检测陶瓷的极化状态、结构和缺陷。
因此，对压电陶瓷在极化过程中声发射特性的研究对提高压电陶瓷产品质量具有重要意义。
压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，是由高铝压电陶瓷基体和各种结构元素组成的复合材料。
压电陶瓷的主要特点是它的高介电常数、高弹性模量和高温度稳定性，从而使其具有良好的电阻性、可调自激电势和高动效应等特点。
电陶瓷是一种电子器件，它可以把外界的力和应力转换成电信号。
压电陶瓷在极化过程中会发出声波。
在不同极化处理条件下，压电陶瓷发出的声波大小和频率也有很大差异。
根据不同的压电陶瓷结构，本文研究了多种压电陶瓷在极化时声发射特性的差异，主要包括以下内容：（1）测试不同类型的压电陶瓷，检测它们在极化过程中发出的声波。
（2）研究压电陶瓷在极化时发出声波的大小和频率随极化处理条件的变化。
（3）探讨压电陶瓷内部缺陷对声发射特性的影响。
（4）使用计算机模拟方法计算极化处理条件下压电陶瓷的声发射特性。
经过上述研究，我们发现，在极化过程中，不同类型的压电陶瓷具有不同的声发射特性。
实验结果表明，外部极化处理条件对压电陶瓷的声发射特性有显著影响，而内部缺陷也会对压电陶瓷的声发射特性有影响。
此外，计算机模拟也能够准确地预测压电陶瓷在极化时声发射特性，从而有助于更好地评估压电陶瓷的极化状态、结构和缺陷。
本文研究的结果可以为提高压电陶瓷的可靠性和质量提供参考，为研制新型压电陶瓷及其制造工艺提供可靠的声学测试依据，从而有助于更好地应用压电陶瓷。
总之，本文通过研究不同类型压电陶瓷在极化过程中声发射特性，为压电陶瓷的发展和应用提供了有效的科学依据。
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，其工作原理基于压电效应的产生和利用。
在外加电场下，压电陶瓷可以发生尺寸变化，也可以在外加力的作用下产生电荷。
压电陶瓷广泛应用于压电传感器、压电驱动器和压电换能器等领域。
压电效应是指某些物质在外加电场下发生形变或产生电荷的现象。
压电陶瓷的压电效应是由内部结构的偶极矩和电荷分布引起的。
在压电陶瓷中，存在许多微观颗粒，这些颗粒由一个个等离子团聚在一起形成晶格。
当给这些颗粒施加力或电场时，在晶格内部的偶极矩会发生排列，导致陶瓷材料的整体形变。
具体来说，压电陶瓷的工作过程包括以下几个步骤：1. 应变效应：当外力施加在压电陶瓷的表面上时，陶瓷内部的微观颗粒会受到力的作用而发生形变。
这种形变是由于应变传递到颗粒上，并导致颗粒之间的位移。
2. 极化过程：在压电陶瓷中施加电场时，颗粒内部的偶极矩会受到电场力的作用而发生排列。
这个过程称为极化过程，它将颗粒内部的正负电荷分开，形成电荷分布。
3. 电荷积累：当外力作用撤离陶瓷材料时，材料内部的偶极矩会由于弹性恢复而恢复到原状。
这时，电荷分布也会改变，由于电荷在颗粒表面的积累，导致陶瓷表面出现电荷分布，形成表面电荷。
4. 电荷输出：当外加电极连接到压电陶瓷的两端时，陶瓷表面的电荷将通过电极表面传到外部。
这个过程称为电荷输出，由于电荷的输出，可以测量到对应的电荷信号。
综上所述，压电陶瓷的工作原理是基于压电效应的产生和利用。
外加力或电场会导致压电陶瓷发生形变和电荷分布的变化，从而产生对应的压电效应。
利用这种压电效应，可以将压电陶瓷应用于压电传感器中，实现对外力的探测和测量；也可以应用于压电驱动器和压电换能器中，实现能量的转换和输出。
压电陶瓷的工作原理在许多领域中都有广泛的应用。
例如，在声波传感器中，压电陶瓷可以将声波转化为电信号，用于声波的检测和测量；在振动马达中，压电陶瓷可以将电信号转化为机械振动，用于振动的驱动和控制。
几种压电陶瓷在极化时声发射特性研究
几种压电陶瓷在极化时声发射特性研究
近年来，随着数字时代的到来，智能化应用在各个领域中扮演着越来越重要的角色，因此，研究压电陶瓷(PZT)在极化时声发射特性，是现代智能化装备领域的一个重要研究课题。
压电陶瓷是一种多种复杂物理效应的有机复合材料，具有优异的机械性能和温度稳定性能，在超声发射、电子技术、手机和电子产品等领域有广泛的应用。
本文首先综述了压电陶瓷的研究现状以及压电陶瓷在极化时声
发射特性的基本原理。
然后介绍了几种压电陶瓷的应用，并详细介绍了如何测量压电陶瓷的极化时声发射特性的实验方法、实验室、实验装置和实验流程。
最后，对实验结果进行了分析和讨论，给出了可以提高实验精度和可靠性的建议。
近几十年来，压电陶瓷在极化时声发射特性的研究得到了快速发展，其研究结果在实际应用中取得了显著成果。
压电陶瓷具有优异的应变能量转换效率和尺寸灵敏度，在电器、超声波技术、传感器技术、测量技术、机械技术、仪器仪表、自动控制装置以及声学仪器方面的应用得到了广泛的发展。
针对压电陶瓷极化时声发射特性的研究，已经取得了一定的进展，但是尚存在许多未解决的研究问题，如其结构、结构参数和极化时声发射特性之间的内在关系，其参数设计规律等。
这是需要进一步研究的科学难题，也是今后研究的重点。
总的来说，本文通过对压电陶瓷极化时声发射特性的研究，对压电陶瓷的研究、发展、应用有重要的参考意义，也能为今后的相关研
究找到新的研究方向。
10-压电陶瓷
(b)沿X方向的压力
(c)沿X方向的拉力
逆压电效应
当在晶体上施加电场时，由于电场的作用会
引起介质内部正负电荷中心位移，而这一位 移又使介质发生形变。 在一定电场强度范围内，电场强度与形变呈 线性可逆关系，这种效应称为逆压电效应。
压电效应的本质：机械作用引起介质极化
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 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） －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
压电陶瓷材料 典型的配方:
(1)0.99[PbTiO3+0.04La2/3TiO3]+0.01MnO2 预烧温度为850℃，保温2小时。烧成温度为1240℃， 保温1小时。 ε=240，Kp=0.096,Qm=1050,Nt=2120 (2）高频（30M-100MC）滤波器用瓷料 PbTiO3+1wt%MnO2+1wt%Pb3O4 ε=150，Kp=0.40,Qm=800~1000,温度和时间稳定性较好。 3PbTiO3+3.0wt%CeO2++0.3MnO2+2.53wt%Nb2O5 ε=230，Qm=1000
等价取代 软性取代改性 PZT掺杂改性 异价取代硬性取代改性 其它取代改性
4、频率常数N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度 的乘积为一个常数，即频率常数。
N=fr×l
其中：
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D Nt=fr×t
D为圆片的直径
薄板厚度伸缩振动
细长棒K33振动 薄板切变K15振动
划重点让我们来聊聊“压电陶瓷”
划重点让我们来聊聊“压电陶瓷”陶瓷是古老中国的代名词，历史悠久，种类繁多。
陶瓷从花瓶、碗碟等器皿发展到现在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶体的微观极化特性的发现。
功能陶瓷是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料，主要包括压电、介电、热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，其中压电陶瓷是功能陶瓷领域的主流材料之一。
单板型压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，它呈现出 ABO3型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。
压电效应压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，它呈现出 ABO3型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。
正压电效应逆压电效应为什么能实现“压电”压电陶瓷要有两个条件：一是晶粒有铁电性；二是经过强直流电场极化处理。
所有的铁电单晶都具有压电效应，但是对于铁电陶瓷（陶瓷是多晶体）则需要经过高压直流极化处理。
这是因为陶瓷内部的各晶粒虽然存在自发极化，具有铁电性，但是其自发极化电畴的取向是完全随机的，宏观上并不具有极化强度。
在高压直流电场作用下电畴沿电场方向定向排列，而且在电场去除后，这种定向状态大部分能够被保留下来，所以陶瓷呈现压电效应。
压电陶瓷人工极化过程压电陶瓷材料的分类目前，压电陶瓷体系主要包括钨青铜结构、铋层状结构、钙钛矿结构三大类压电陶瓷材料。
（1）钨青铜结构陶瓷钨青铜结构是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体。
该晶体也是由氧八面体以共顶点的形式联接而成的。
压电材料的极化方向
压电材料的极化方向1. 自然极化方向压电材料在自然状态下会存在一定的极化方向，这是由于其晶体结构决定的。
例如，石英晶体的极化方向是沿着晶体的C轴方向，而硅酸铁铋晶体的极化方向则是沿着晶体的PbTiO3方向。
自然极化方向是压电材料固有的极化方向，当施加力或电场时，材料会沿着自然极化方向产生电偶极矩，从而发生压电效应。
自然极化方向的压电材料常用于压电传感器、压电陶瓷等领域。
例如，将压电材料制成传感器，可以通过测量材料的电荷或电压变化来感知外界的压力或力量，从而实现力的测量和控制。
此外，压电陶瓷材料还可以应用于超声波发生器、压电陶瓷换能器等设备中，将电能转化为机械能或声能。
2. 反向极化方向除了自然极化方向外，压电材料还可以通过施加相反方向的力或电场来实现反向极化。
在反向极化状态下，材料内部的电偶极矩与自然极化方向相反。
反向极化方向的压电材料可以在施加相反方向的力或电场时，产生与自然极化方向相反的电偶极矩，实现相反的压电效应。
反向极化方向的压电材料在一些特殊应用中发挥着重要的作用。
例如，在超声波清洗器中，当施加电场时，压电材料会发生反向极化，从而使超声波产生。
这种超声波可以有效地清洗物体表面的污垢和杂质。
此外，反向极化方向的压电材料还可以应用于电子陶瓷变压器、压电陶瓷电机等设备中，实现电能转化和控制。
3. 多极化方向除了自然极化方向和反向极化方向外，压电材料还可以具有多个极化方向。
多极化方向的压电材料在施加力或电场时，可以同时产生多个不同方向的电偶极矩。
这种特性使得多极化方向的压电材料在某些应用中具有更大的灵活性和多功能性。
多极化方向的压电材料在微动机、电致变色器等领域有广泛应用。
例如，将多极化方向的压电材料制成微动机，可以通过施加不同方向的力或电场来控制机械运动的方向和速度。
此外，多极化方向的压电材料还可以应用于电致变色器，通过施加不同方向的电场来调节材料的光学性质，实现颜色的变化。
总结起来，压电材料的极化方向对其特性和应用有着重要影响。
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压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。
所谓极化（Poling），就是在压电陶瓷上加一强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。
1.极化机理
测试技术与理论分析表明，压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。
压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成，如图1所示。
每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子（离子）都是有规则（周期性）的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元—晶胞组成，如图2, 3所示。
晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的，如图4所示。
因而称其为多晶体。
晶胞在一定温度下（T＜T c），其正负电荷中心不重合，产生自发极化Ps，极化方向从负电荷中心指向正电荷中心，如图5所示。
为了使压电陶瓷处于能量（静电能与弹性能）最低状态，晶粒中就会出现若干小区域，每个小区域内晶胞自发极化有相同的方向，但邻近区域之间的自发极化方向则不同。
自发极化方向一致的区域称为电畴，整块陶瓷包括许多电畴如图6所示。
人工极化处理的作用，就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。
图7示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。
极化前，各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化强度为零，如图7（a）所示。
极化处理时，晶粒可以形成单畴，自发极化尽量沿外场4方向排列，如图7(b)所示。
极化处理后，外电场为零，由于内部回复力（如极化产生的内应力的释放等）作用，各晶粒自发极化只能在一定程度上按原外电场方向取向，陶瓷内的极化强度不再为零，如图7(c)。
这种极化强度，称为剩余极化强 2. 极化条件
极化过程进行是否充分，对材料性能影响很大。
因此要合理选择极化条件，即极化电场、极化温度和极化时间，简称极化三要素。
（1）极化电场只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，所以它是极化条件中的主要因素。
极化电场越高，促使电畴排列的作用越大，极化越充分。
但不同配方，其高低应该不同。
极化电场大小主要取决于压电陶瓷的矫顽场Ec。
极化电场一定要大于Ec，才能使电畴转向，沿外场方向排列。
一般为E C的2-3倍。
而Ec的大小与陶瓷组成、结构有关。
对四方相PZT系材料，Ec随Zr/Ti比减小而增大。
在三方向区域，Ec随Zr/Ti比的变化不明显。
取代物若使材料晶轴比c/a减小，90º畴转动产生内应力小，转动容易，Ec降低。
软性添加物使Ec降低，硬性添加物使Ec提高。
实用PZT系列材料Ec在0.6-1.6 Kv/mm范围内。
Ec还随温度的升高而降低。
因此若极化温度升高，则极化电场可以相应降低。
极化电场还受到陶瓷的击穿强度E b的限制。
一旦极化电场达到Eb大小，陶瓷击穿后就成为废品。
E b因制品存在气孔、裂纹及成份不均匀而急剧下降。
因此，前期制备工序必须保证制品的致密度和均匀性。
E b大小也与陶瓷样品极化厚度有关，其关系大致符合公式
式中Eb为击穿电场（kV/cm）；t为厚度（cm）。
因此，较厚的制品，极化电场因相应降低，且通过调高极化温度，延长极化时间达到好的极化效果。
（2）极化温度
在极化电场和极化时间一定的条件下，极化温度高时，电畴取向排列较易，极化效果较好。
其主要原因在于：①结晶各向异性随温度升高而降低，电畴转向的内应力变小，即阻力小，所以极化较容易。
②电滞回线随温度升高变窄，即矫顽场变小，实际上也是使畴运动更易进行。
③空间电荷效应随温度升高而减弱。
有些杂质使制品中出现大量空间电荷，从而产生很强的空间电荷场，对外加极化电场有屏蔽作用，不利于极化。
而温度升高，制品电导率增加，使空间电荷易于迁移，减少积聚，空间电荷场的屏蔽作用就减小，利于极化。
极化温度与材料组成有关。
有的材料综合反映压电性能的机电耦合系数kp 值基本不受极化温度影响，可以在较低温度下极化，如含软性添加物的PZT系。
有的材料要求在较高温度下极化，才能有较大kp，如含硬性添加物的PZT系。
实践选择极化温度时，都以温度高些为好，因为提高极化温度可以缩短极化时间，提高极化效率。
但在较高的温度时，常遇到的问题是制品电阻率太小，漏电流大，承受电压低，即电压加不上去。
这除了与配方有关外，还与致密度不好、电阻率低有关。
对于仅与配方有关的制品，只有降低极化电场和延长极化时间。
（3）极化时间
极化时间是指陶瓷制品从一个平衡态转变到另一个平衡态所需要的保温保压时间。
时间长，电畴转向排列充分，并有利于极化过程中应力的弛豫。
极化时间对不同材料是不同的。
对于同一种材料，极化时间与极化电场、极化温度有关。
电场强、温度高，则所需极化时间短；反之，所需极化时间就长。
综合考虑，确定极化条件应该以兼顾充分发挥压电性能，提高成品率和节省时间为原则。
对不同成分的材料，应在极化工艺原理指导下，通过实验，优化出最佳极化条件。
实用中可通过测量压电性能（如kp或d33）来判定极化效果，当其不再随极化条件增强而升高时，即可认为极化已经充分了。
目前PZT系压电陶瓷研发与生产中，其极化条件一般选为：
极化电场1.5-5kV/mm；极化温度100-180℃；极化时间10-60min
3、极化方法
（1）油浴极化法：油浴极化法是以甲基硅油等为绝缘媒质，在一定极化电场、温度和时间条件下对制品进行极化的方法。
由于甲基硅油使用温度范围较宽、绝缘强度高和防潮性好等优点，该方法适合于极化电场高的压电陶瓷材料。
（2）空气极化法
空气极化法是以空气为绝缘媒质，以一定的极化条件对制品进行极化的方法。
该方法由于不用绝缘油，操作简单，且极化后的制品不用清洗，因而成本低。
因空气击穿场强不高（3kV/mm）,该方法特别适合较低矫顽场强的软性类PZT 材料。
如E C为0.6 kV/mm的材料，其极化电场选2E C为1.2 KV/mm，选3E C为1.8KV/mm，都远低于空气媒质的击穿强度，完全可以达到与油浴极化相同的效果。
在提高极化温度和延长极化时间的条件下，该方法还可适合于极化因尺寸较厚而击穿场强降低的制品和高压极化有困难的薄片制品。
（3）空气高温极化方法
空气高温极化方法是以空气为绝缘媒质，极化温度从居里温度以上（高于
T C 10-20℃）逐步降至100℃以下，相应的极化电场从较弱（约30V/mm）逐步增加到较强（约300V/mm），对制品进行极化的方法，又称高温极化法或热极化法。
该方法的原理在于制品铁电相形成之前就加上电场，使顺电－铁电相变在外加电场作用下进行，电畴一出现就沿外场方向取向。
由于高温时畴运动较容易，且结晶各向异性小，电畴作非180º转向所受阻力小，造成的应力应变小，所以只要很低的电场就可以得到在低温时很高极化电场的极化效果。
该方法具有极化电场小、不需要高直流电场设备、不用绝缘油和制品发生碎裂少的特点。
适合于极化尺寸大（如压电升压变压器的发电部分），普通极化中需很高电压的制品。