压电陶瓷性能参数解析精讲

压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。

在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，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方向极化的压电陶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陶瓷在内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部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（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，I R大时，tanδ也大；I R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，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。

（3）弹性常数压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。

设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，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。

压电陶瓷性能参数解析压电陶瓷是一种能够将电能转化为机械动能的材料。

它具有压电效应，即当施加电场时，会在陶瓷晶体中产生机械变形；反之，当施加机械应力时，会在陶瓷晶体中产生电荷积累。

这种特性使得压电陶瓷在传感器、声学器件、电子器件等领域得到广泛应用。

本文将介绍一些常见的压电陶瓷性能参数。

1.压电系数：压电系数是衡量压电材料性能的重要参数，用于描述材料在施加外部压力或电场时的响应情况。

它可分为压电应变系数d和压电电场系数g。

压电应变系数d用于描述压电陶瓷在施加电场时的形变情况，通常以毫米/伏作为单位。

压电电场系数g用于描述压电陶瓷在施加应力时产生的电荷量，通常以库伦/牛作为单位。

2.介电常数：介电常数是衡量材料在电场作用下电荷积累能力的参数。

压电陶瓷的介电常数通常以两个维度进行描述，分别为介电常数的相对静电介电常数（εr）和相对介电常数（εr）。

3.矫顽场和剩余极化：矫顽场是指施加电场或机械应力后，压电陶瓷尚未发生压电效应的最大电场或应力值。

剩余极化是指当外场消除时，材料中保留的极化强度。

这两个参数都能够反映压电陶瓷的稳定性和可逆性。

4.力常数和耦合系数：力常数是描述压电陶瓷的力-位移耦合效应的参数，标志着材料在施加电场时的机械响应程度。

耦合系数是力常数的相对值，是一种无量纲参数，常用于比较不同材料之间的压电性能。

5.介质损耗和压电品质因数：介质损耗是指压电陶瓷在工作频率下由于材料自身的损耗所导致的能量损失。

压电品质因数是衡量压电陶瓷在工作频率下损耗程度的参数，取决于介质损耗和介电常数等因素。

6.工作温度范围：工作温度范围是指压电陶瓷在正常工作条件下可以承受的温度范围。

这是一个重要的参数，因为一些压电材料在高温或低温环境中性能会发生变化。

以上是一些常见的压电陶瓷性能参数。

不同的应用场景对这些参数的需求也有所不同，因此在选用压电陶瓷材料时，需要根据具体的应用需求对这些性能参数进行综合考虑。

压电陶瓷的性能参数对材料的性能和应用特性有着重要的影响，因此对于压电材料的研究和理解是非常重要的。

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部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（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，I R大时，tanδ也大；I R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，但情况比较复杂，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。

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。

压电陶瓷片主要参数
压电陶瓷片是一种用来发声的新型智能元件，它的出现便开创了现代声学技术
的一个崭新篇章。

该片由导电玻璃/电子基材以及表面强度层组成，其中导电玻璃/电子基材主要由高温烧结的压电陶瓷和可抗热韧性的电子基材构成,当外加电场即
使产生压陷，超声波可由此系统发出。

压电陶瓷片的主要参数包括尺寸、厚度、电容量、超声反射系数、频率和电压。

其中，片子尺寸对其工作有非常大的影响，尺寸越大，其反应的尺度就越大，电容量就越大;厚度过厚也会降低其超声能力，最佳厚度为0.381mm；超声反射系数通
常在20-40，这取决于其介质和常数；超声频率可以从1-20kHz，该参数受尺寸、
厚度和介质参数影响；最后，电压越大，超声能力越强。

因此，压电陶瓷片的主要参数的设计制造的精度和实用性都是极为关键的，确
保压电陶瓷片的可靠性和质量。

正确地掌握这些参数，可以有效地协助工程师们科学地选定、定制和使用各种压电陶瓷片。

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。

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。

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。

同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。

极化过的压电瓷，其独立的弹性顺度常数只有5个，即S11，S12，S13，S33和S44。

独立的弹性劲度常数也只有5个，即C11，C12，C13，C33和C44.由于压电瓷存在压电效应，因此压电瓷样品在不同的电学条件下具有不同的弹性顺度常数。

在外电路的电阻很小相当于短路，或电场强度E=0的条件下测得的称为短路弹性顺度常数，记作S E。

在外电路的电阻很大相当于开路，或电位移D=0的条件下测得的称为开路弹性顺度常数，记作S D。

由于压电瓷为各向异相性体，因此共有下列10个弹性顺度常数：S E11，S E12，S E13，S E33，S E44，S D11，S D12，S D13，S D33，S D44。

同理，弹性劲度常数也有10个：C E11，C E12，C E13，C E33，C E44，C D11，C D12，C D13，C D33，C D44。

（4）机械品质因数。

1简介压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。

与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。

由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的。

为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向。

经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质。

2物质组成常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A 表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。

如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。

此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

3特性介电性及弹性性质压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。

压电陶瓷材料同其它弹性体一样，遵循胡克定律。

压电陶瓷的压电性压电陶瓷最大的特性是具有压电性，包括正压电性和逆压电性。

正压电性是指某些电介质在机械外力作用下，介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化，从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

4制作工艺工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。

压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。