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实验十二压电陶瓷压电性能测定实验名称：压电陶瓷压电性能测定实验项目性质：普通实验所涉及课程：电子材料计划学时：2学时一、实验目的1.了解压电常数的概念和意义；2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。
3.学会操作ZJ-3AN型准静态d33测量仪。
二、实验内容1.实验老师介绍使用压电常数测量仪测试d33的原理与步骤；2.测试压电陶瓷的压电常数。
三、实验（设计）仪器设备和材料清单ZJ-3AN型准静态d33测量仪、压电陶瓷晶片等。
四、实验原理压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是一种具有压电效应的材料。
当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“正压电效应”。
逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
通常用dij表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。
五、实验步骤（1）用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。
（2）把Φ20尼龙片插入测量头的上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。
（3）把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一侧，此时面板右上方绿灯亮。
（4）把仪器后面板上的“量程选择”开关置于“×1”档。
（5）按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“调零”旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动。
调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。
（6）依次接入待测元件，表头显示d33结果及正负极性，记录。
（7）取三次测量的平均值。
六、实验报告要求1.实验目的；2.实验内容；3.实验设备（仪器），材料；4.实验原理；5.实验步骤；6.实验数据测试与记录；7.实验结果与分析。
七、考核型式书面实验报告及实际操作相结合。
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。
压电陶瓷片的功能和检测方法
压电陶瓷片是一种结构简单、轻巧的电声器件，因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低，耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用。
适合超声波和次声波的发射和接收，比较大面积的压电陶瓷片还可以运用检测压力和振动，工作原理是利用压电效应的可逆性，在其上施加音频电压，就可产生机械振动，从而发出声音。
如果不断对压电陶瓷片施加压力它还会产生电压和电流。
其质量的测试方法如下：
第一种方法：将万用表的量程开关拨到直流电压2.5V挡，左手拇指与食指轻轻捏住压电陶瓷片的两面，右手持万用表的表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放陶瓷表面上，然后左手稍用力压一下，随后又松一下，这样在压电陶瓷片上产生两个极性相反的电压信号，使万用表的指针先向右摆，接着回零，随后向左摆一下，摆幅约为0.1一0.15V，摆幅越大，说明灵敏度越高。
若万用表指针静止不动，说明内部漏电或破损。
切记不可用湿手捏压电片，测试时万用表不可用交流电压挡，否则观察不到指针摆动，且测试之前最好用R×10k挡，测其绝缘电阻应为无穷大。
第二种方法：用R×10k挡测两极电阻，正常时应为∞,然后轻轻敲击陶瓷片，指针应略微摆动。
一、压电材料与应用综述1、概述在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。
在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二氢钾盐，具有压电性。
在1940年后，发现了BaTiO3是一种铁电体，具有强的压电效应。
是压电材料发展的一个飞跃。
在1950年后，发现了压电PZT 体系，具有非常强和稳定的压电效应，具有重大实际意义的进展。
在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT 陶瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。
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。
2、压电效应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（piezoelectric ceramics ），是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料。
晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应（力→形变→电压）。
晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应（电压→形变）。
3、压电性能①压电常数d33压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
当沿压电陶瓷的极化方向（z 轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。
它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T ）、应变（S ）、电场（E ）或电位移（D ）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引出了压电方程。
神奇的能量转换材料——压电陶瓷伍萌佳在茫茫大海中探测到古代沉船的精确位置，你可知道探测人员的“千里眼”、“顺风耳”是什么？将按钮轻轻一按，煤气灶燃起蓝色的火焰，你可知道是什么实现了这种便利？隐身飞机飞到敌人雷达的眼皮底下也难以被发现，你知道它使用了什么“障目法”？以上各种各样的有趣现象、神奇功能，都离不开陶瓷大家族中一位活力四射的成员－－压电陶瓷，它可以实现“机械能”与“电能”相互转换的功能，且具有能量转换（或信号转换）灵敏、精确、频率稳定性好、转换效率高等特点。
压电陶瓷的这种奇特的能量转换（或信号转换）功能有着非常广泛的实用价值，涉及到许多先进技术和军事技术，并与人类的日常生活密切相关。
⑴用作压电点火器的发火元件采用大约黄豆大小的二粒锆钛酸铅压电陶瓷，依靠人手指按压的力量，便可产生大约数千伏以上的高电压，并使相距几毫米的电极之间的空气放电击穿，从而达到引燃的目的。
此功能用于电子打火机、燃气灶、导弹引爆器中的点火器的发火元件。
由于压电陶瓷具有陶瓷的基本性能，即强度高、硬度大、耐磨损、抗氧化，故用压电陶瓷制作的火石在电子打火机和燃气灶的点火器中使用寿命长，打火次数可达100万次以上。
也由于压电陶瓷能量转换灵敏精确且转换效率高，故用在导弹引爆装置中作为点火器元件，其引爆准确率相当高而几乎无失误。
⑵用作电话手机的信号转换器元件压电陶瓷在电声信号转换中，无论是受机械振动波的作用还是受到交变电场的影响，均会产生机械形变，其形变量尽管很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，它即能够灵敏而精确地实现声波和电频信号的可逆转化，在现代化通信工具中充当着关键性角色。
如当手机中的压电陶瓷传感元件接受声波振动冲击时，会通过正压电效应将声音转换成电频信号经调制成微波信号后向外部发射；同时，从外部接受来的微波信号经解调成电频信号后，会通过压电陶瓷传感元件的电致伸缩效应将其转换成机械振动波，以实现通话。
由于压电陶瓷信号转换具有极高的灵敏度和精确度，频率稳定性好而适用频率范围宽，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性。
