压电陶瓷基本知识

简述压电陶瓷压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。

与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。

它具有压电效应。

所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。

前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。

目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。

由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。

一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

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（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。

由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。

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。

压电陶瓷片的原理及特性
压电陶瓷片是一种具有压电效应的陶瓷材料，其原理基于压电效应的物理特性。

压电效应是指在某些材料中，当这些材料受到力或压力作用时，会产生电荷分离，从而产生电势差。

具体来说，压电陶瓷片由许多微小的、高度有序排列的、带电荷的晶体单元组成。

在正常情况下，这些电荷平衡分布，不存在净电荷。

当外力或压力作用于压电陶瓷片上时，晶体单元会被压缩或拉伸，导致电荷的不平衡。

这种不平衡的电荷分布产生了一个电势差，即压电效应。

压电陶瓷片具有以下特性：
1. 压电效应：压电陶瓷片可以将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。

当外力施加到陶瓷片上时，它会产生电势差，可以用作传感器或驱动器件。

2. 快速响应：压电陶瓷片的响应速度很快，可以在微秒级别做出响应。

这使得它在一些需要快速反应的应用中非常有用。

3. 宽频响范围：压电陶瓷片可以在较宽的频率范围内工作，从几赫兹到几百兆赫兹。

这使得它在声波传感、振动控制等领域有广泛的应用。

4. 高机械品质因数：压电陶瓷片具有较高的机械品质因数，即能量在压电材料中的耗散程度很低。

这意味着它可以高效地转换电能和机械能，并具有良好的能量转移特性。

5. 耐高温性：压电陶瓷片具有较高的耐高温性能，可以在高温环境下使用。

这使得它在一些特殊应用场景中具备优势。

综上所述，压电陶瓷片通过压电效应将机械能转化为电能或将电能转化为机械能。

它具有快速响应、宽频响范围、高机械品质因数和耐高温性等特点，广泛应用于声学、振动控制、传感器及驱动器件等领域。

压电陶瓷及其测量原理近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。

由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。

同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。

（一）压电陶瓷的主要性能及参数（1）压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。

这两种正、逆压电效应统称为压电效应。

晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。

在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。

（2）压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。

在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。

介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图1 所示，C I为同相分量，R I为异相分量，C I与总电流I 的夹角为 ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。

机械品质因数越大，能量的损耗越小。

产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。

机械品质因数m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。

压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。

随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。

因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。

压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。

其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。

1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有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。

反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。

1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。

当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。

但实际是有损耗的。

有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。