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压电陶瓷

压电陶瓷
经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化： 矫顽场强EC 减小↓，机械品质因数Qm减小↓；介电常数ε增加↑，介电损耗tanδ 增加↑,机电耦合系数KP增加↑, 抗老化性增加↑ ，绝缘电阻率ρ增加↑。
铅基压电陶瓷
• 硬性取代改性（低价取代） 所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加↑，极化变难， 因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色) （a） K+，Na+等取代A位Pb2+离子； （b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、 Cr3+等 取代B位的Zr4+、Ti4+离子。
• 1947年，美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、 压力传感器、滤波器等应用研究。
• 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促 使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
压电原理
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。
工作温区窄（Tc=120℃） 工作温区宽（Tc=490℃）
易极化
难极化
热稳定性差
热稳定性好
ε=1900
ε=190
Kp =0.354 d33=191(10-12C/N) g33=11.4(10-3V·m/N)
工艺性好
Kp =0.095 d33=56(10-12C/N) g33=33(10-3V·m/N)
表征参数
频率系数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。
其中：
N=f0L

压电陶瓷及其应用PPT课件

压电陶瓷及其应用PPT课件

顺电相
铁电相
4. 铋层状结构
Bi4Ti3O12
（1） 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧
化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷 。
它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石 英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃）， 温（度2）稳定锆性钛和酸机铅械系强压度电不陶如瓷石（英PZ晶T）体。
2019/12/23
22
铁路钢轨探头
铁路钢轨对接焊 缝探测用探头
缺陷 焊缝
2019/12/23
铁路钢轨探伤 用滑板式探头
23
管道环焊缝 超声波检测装置
2019/12/23
管道环焊缝超声 波检测装置原理
24
超声探伤仪
2019/12/23
25
构件的超声探伤
2019/12/23
26
构件的超声探伤
另外，PbTiO3陶瓷的介电系数小，热释电系 数大，接近于60μC/cm2·K，居里点高，抗辐射性 能好，还是一种相当理想的热释电探测器材料。
2. PbNb2O6 钨青铜结构 Tc高（570℃） 压电系数的各向异性大，d33/d31≈10 机械品质因素特别低（Q≈11）
主要用于超声缺陷检测、人体超身诊断及水听器等
4、压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。
BaTiO3和PbTiO3压电陶瓷比较
BaTiO3陶瓷 工作温区窄（Tc=120℃
） 易极化 热稳定性差 ε=1900 Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏·米/牛) 工艺性好

压电陶瓷ppt课件

压电陶瓷ppt课件
12
三、压电陶瓷的应用
1880~1940：压电晶体； 上世纪40年代中期：BaTiO3压电陶瓷问世； 由于压电陶瓷具有突出优点，包括： 制造方便，设备简单，成本低廉，不受尺寸大小限制，可
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K2

由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2

由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
7
锆钛酸铅（PbTiO3—PbZrO3，缩写PZT）陶瓷: Tc>300℃, 在 -50℃ ～ 300℃ 范 围 内 无 相 变 点 ， 压 电 常 数 比 BaTiO3大二倍多，因此，它是目前品种最多，产量最大，应 用最为广泛的压电陶瓷。
1. 压电效应

压电陶瓷

压电陶瓷
在外力F的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强 度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电 性——压电效应。
在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同， 则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生了形变— —逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短； 若加上交变电场，则晶体产生振动。
Qm ,热稳定性好 抗老化性好
低衰减 硬性材料 频率稳定 软性材料
§ 7-1 压电陶瓷
由于一些性能往往是互相克制的，如Qm ↑ ，则KP ↓ ； ε↑则tgδ ↑ ；KP ↑则热稳定性↓，因此选用材料时应全面考虑， 适当折中。
三§元7系-1铅基压压电电陶陶瓷瓷
a、所谓三元系压电陶瓷，是在PZT的基础上再添加三元复合钙钛矿型物质(A,A’)(B,B’)O3 而组成的。在实际大多 数多元系压电陶瓷中，A位元素仍是铅，所改变的只是处 于八面体中的B位的元素。因此：在钙钛矿结构的三维八 面体网中，在相互固溶的情况下，八面体的中心将有四种 或更多电价不一定为4的元素（包括Zr和Ti）统计地均匀 分布，改变其元素种类与配料，就可调整、优选出一系列 具有特殊性能的压电陶瓷。
等 价 取 代
PZT的
改
性
分
为：异
价
取
软 性 代硬 性
取 取
代 代
改 改
性 性

其 它 取 代 改 性
§ 7-1 压电陶瓷
⑶ 常用PZT瓷料 压电陶瓷用途很多，不同场合对压电陶瓷性能要求不同。
接
收
型
水
声
换
能
器
：g33或g31大
，K
P
,
高效率、高灵敏度 软性材料
换 能 器
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）。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。

压电陶瓷

压电陶瓷
压电陶瓷
15 材料 李斌 201507060138
压电陶瓷的概述 压电陶瓷的特性 压电陶瓷的制备 压电陶瓷的应用
压电陶瓷的前景
压电陶瓷的概述
什么是压电陶瓷？ 压电陶瓷是指把氧化 物混合 ( 氧化锫、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。
压电陶瓷的特性
压电陶瓷蠕变特性： 在一定电压下，压电陶瓷的位移快速达到一定值后。 位移继续随时间变化而缓慢变化，在一定时间后达到稳定 的特性称为蠕变特性。 压电陶瓷温度特性： 压电陶瓷受温度的影响而产生的变化的特性，就叫做 温度特性。
压电陶瓷的制备
配料
混合细磨
预烧
二次细磨
造粒
成型
排塑
烧结成瓷
压电陶瓷的应用
压电打火机 煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只 要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压， 形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用 方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的 打火机可使用 100 万次以上。 防核护目镜 核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光 辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压 电，在 1/1000 s 里，能把光强度减弱到只有 1/10000 ，当危险光消 失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克 重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。
压电陶瓷的前景
随着对材料结构的深入认识和应用技术的 研究与拓展，压电陶瓷材料将广泛用于电 子技术、通信技术、激光技术、生物技术 等高科技领域，随着这些领域的飞速发展 和经济社会新的发展需求，对压电陶瓷的 性能会有更高的要求，如高居里温度、高 机电耦合系数和机械品质因数及无铅等性 质。

PZT压电陶瓷介绍和测试方法-PPT精选文档

PZT压电陶瓷介绍和测试方法-PPT精选文档
P-->“Pb”（铅元素），Z-->“Zr” （锆元素），T-->“Ti” （钛元素） 特点
– 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

锆钛酸铅系压电陶瓷课件

锆钛酸铅系压电陶瓷课件

配料与混合
按照配方比例将原料混合 均匀，保证原料的分散性 和稳定性。
预处理
对原料进行破碎、球磨、 干燥等预处理，以满足后 续成型工艺的要求。
陶瓷成型与烧成
成型方法
采用干压、等静压、流延、 凝胶注模等成型方法，制 备出所需形状和尺寸的陶 瓷胚体。
烧成制度
制定合理的烧成制度，包 括烧成温度、烧成时间和 气氛等参数，确保陶瓷的 致密化和相转化。
THANKS
感谢观看
易于加工成型
锆钛酸铅系压电陶瓷可以通过 传统的陶瓷加工技术进行成型 和加工，制成各种形状和尺寸
的元件。
锆钛酸铅系压电陶瓷的应用领域
传感器
换能器
锆钛酸铅系压电陶瓷在传感器领域应用广 泛，可用于压力、加速度、声波等物理量 的测量和检测。
利用锆钛酸铅系压电陶瓷的压电效应，可 以制作超声波换能器，用于超声波清洗、 探测、医学成像等领域。
表面加工与保护
对电极层进行加工和保护，以提高其 导电性能和使用寿命。
锆钛酸铅系压电陶瓷的性能优化
掺杂改性
总结词
通过掺入其他元素对锆钛酸铅进行改性，可以改善其压电性能、温度稳定性、机械强度等。
详细描述
掺杂改性是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过掺入适量的其他元素，如镧、锶、铋等，可以改 变锆钛酸铅的晶体结构、电学性能和机械性能。掺杂元素的作用机制包括取代铅离子、改变氧空位浓度以及调节 晶格常数等。
表面改性与电极优化
总结词
表面改性和电极优化可以提高锆钛酸铅系压电陶瓷的电性能和稳定性，同时降低制造成 本。
详细描述
表面改性和电极优化是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过表面涂覆、 化学处理、离子注入等技术手段，可以改善陶瓷表面的电学性能和机械性能，提高其稳 定性。电极优化包括选择合适的电极材料、调整电极厚度和覆盖范围等，以提高压电陶

压电陶瓷ppt课件

压电陶瓷ppt课件

其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因 而也是压电体。
2
3. 压电陶瓷
陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互 抵消；
人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶 瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电 场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在 陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上 也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压 电陶瓷。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
§9.5 压电陶瓷
压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，
即能进行机械能与电能相互转变的 陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速， 一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用， 甚至超过了压电晶体。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制

压电陶瓷

压电陶瓷

BACK
配料
成型
排塑
老化 测试
混合 磨细
造粒
烧结 成瓷
高压 极化
预烧
二次 磨细
外形 加工
被电 极
BACK
进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料， 注意少量的添加剂要放在大料的中间。 目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准 备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨， 大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。 目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此 道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。 目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀 性能一致打好基础。
• 适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采 用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把 高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转 换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即 超声波）再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。
BACK
声纳
• 在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神 不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻 找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海 水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是 声纳。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇 到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇 的方位、距离等。
BACK
高压发生器
声音转换器
声纳
谐振器
滤波器
超声波
其他运用
BACK
声音转换器
• 声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、 传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超 声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩 具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振 动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线 路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的 声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音 频电信号转换为声音信号。

压电陶瓷ppt课件

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17
§ 7-1 压电陶瓷
3. 铌酸锂型 结构
顺电相
铁电相
• 氧八面体以共面形式重叠 • Li位于氧八面体的公共面 • Nb位于氧八面体中心 • 极化时，Li,Nb偏离中心位 置，沿c轴出现电偶极矩
18
§ 7-1 压电陶瓷
4. 铋层状结 构
Bi4Ti3O12
19
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-2 压电陶瓷的主要参数 作为介电材料，可用介电系数ε，介电损耗tgδ，绝缘电阻
33
§ 7-1 压电陶瓷
比较可知，BaTiO3压电性好，工艺性好，但致命弱 点是工作温区窄（0~120℃），且在工作温区内各压电 性能随温度变化很大，图5-1（P115）。因此相比之下， PbTiO3的工作温度区宽，性能更稳定。
另外，PbTiO3陶瓷的介电系数小，热释电系数大， 接近于60μC/cm2·K，居里点高，抗辐射性能好，还是 一种相当理想的热释电探测器材料。
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）。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。
反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系
21
§ 7-1 压电陶瓷
➢ 压电电压系数g：单位应力T所产生的电场强度E；或单位 电荷所产生的形变。
39
§ 7-1 压电陶瓷
(2) Tc线以下，Zr：Ti=53：47附近有一同质异晶相界线 （准同型相界线），富钛侧为四方铁电相Ft，富锆一侧为 高温三方（三角）铁电相FR（高温），温度升高，这一相界 线向富锆侧倾斜，并与Tc线交于360℃（表明相界附近居 里温度Tc高），在相界附近，晶胞参数发生突变（见P119 图5-7）。

压电陶瓷ppt

压电陶瓷ppt

壓電式平面喇叭與傳統線圈式喇叭特性比較表
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
DMA應用實例
N506i V501T
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
致動器型態
Transverse Wafer Longitudinal Wafer
Stack Actuator Bimorph (extension) Bimorph (bending)
Converse piezo effect
Direct piezo effect
resonant frequency
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD
壓電變壓器昇壓比
Avo ＝V2 /V1=(4/π2)× m × 31 × 33 × /t (無負載) Q k k L Av ＝ (1/2) Avo Av ＝ Avo / (
Frequency Response – DMA vs MICROSPEAKER
dB Level S patalaver , i age S P L 0. 5m 110 Level S P L dB , 130
100
DMA Speaker
120
90
110
80
70
Cone Microspeaker
100
90
60 20 50 100 500 1k 5k
80 10k 20k Fr equency H z
Actual measured results mainstream notebook PC. Two DMAs attached to rear lid.
ELECERAM TECHNOLOGY CO., LTD

压电陶瓷

压电陶瓷
比如钛酸钡、铌酸钠、PZT（锆钛酸铅） 等等。
压电陶瓷与压敏电阻的区别
• 压敏电阻：在一定电流电 压范围内电阻值随电压而变" ，或者是说"电阻值对电压敏 感"的阻器。
• 压敏电阻的最大特点是当 加在它上面的电压低于它的 阀值"UN"时，流过它的电流 极小，相当于一只关死的阀 门，当电压超过UN时，流过 它的电流激增，相当于阀门 打开。利用这一功能，可以 抑制电路中经常出现的异常 过电压，保护电路免受过电 压的损害。
压电陶瓷
目录
• 1、压电陶瓷的基本原理及种类 • 2、压电陶瓷与压敏电阻的区别 • 3、压电陶瓷的主要应用
压电陶瓷
• 压电效应：离子的移动 形成电流并感应出一个 内部电场（电压）。
• 电致伸缩：沿着某个适 当的晶体学方向施加一 个电场，将引起正离子 与负离子之间距离的变 化。
压电陶瓷
大量具有钙钛矿结构的晶态陶瓷，一般都 具有压电特性。
潜艇的眼睛——声呐
到目前为止， 声波还是唯一 能在深海作远 距离传输的能 量形式。
声呐就是利用水中声波对水下目标进行探 测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用 最广泛、最重要的一种装置。
潜艇的眼睛——声呐
电磁波在水中也衰减太快பைடு நூலகம்而且波长越短， 损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只 能传播几十米。
超声波加湿器
超声波加湿器是采 用超声波高频振荡的原 理，将水雾化为1—5微 米的超微粒子，通过风 动装置，将水雾扩散到 空气中，从而达到均匀 加湿空气的目的。
超声波加湿器
超声波雾化原理： 利用压 电陶瓷所固有超声波振荡特点， 通过一定的振荡电路手段与压 电陶瓷固有振荡频率产生共振， 压电陶瓷振子会产生轴向机械 共振变化，这种机械共振变化 再传
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§ 7-1 压电陶瓷
3. 铌酸锂型结构
顺电相
铁电相
• 氧八面体以共面形式重叠 • Li位于氧八面体的公共面 • Nb位于氧八面体中心 • 极化时，Li,Nb偏离中心位 置，沿c轴出现电偶极矩
§ 7-1 压电陶瓷
4. 铋层状结构
Bi4Ti3O12
§ 7-1 压电陶瓷
§1-2 压电陶瓷的主要参数 作为介电材料，可用介电系数ε，介电损耗tgδ，绝缘电
。。。。。。。。
§ 7-1 压电陶瓷
• 压电陶瓷的晶体结构： 1. 钙钛矿结构 2. 钨青铜型结构 3. 铌酸锂型结构 4. 铋层状结构
§ 7-1 压电陶瓷
1. 钙钛矿结构
ABO3： A：＋1,＋2,＋3 Na＋，K＋，Ba2+，La3+ B：＋5,＋4,＋3 Nb5+,Ti4+，Fe3+
时，发生与机械应力成比例的介质极化，同时在晶体 的两端面出现正负电荷。 • 逆压电效应：当在晶体上施加电场时，则产生与电场 强度成比例的变形或机械应力。 • 正、逆压电效应统称为压电效应。 • 晶体的这种性质称为晶体的压电性。
§ 1-1 压电陶瓷
具有压电效应的材料称为压电材料。 压电材料能实现机—电能量的相互转换。
在外力F的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强 度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电 性——压电效应。
在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同， 则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生了形变— —逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短； 若加上交变电场，则晶体产生振动。
g E / T （V·m/N）
d和g实质上是相同的，只是在不同的角度反映了材料的压 电性能，d用得较为普遍，g常用于接收型换能器、拾音器， 高压发生器等场合。
§ 7-1 压电陶瓷
机电耦合系数k
k2

电
能
转变所得的机 输入的电能
械
能或
k2

机械能转变所得电能 输入的机械能
Kp是压电材料进行机械能-电能转换的能力反映。它 与材料的压电系数、ε和弹性常数等有关，是一个比较综合 的参数。
y
o
y
x
x
(a)
(b)
z o
cy a
(c)
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
§ 7-1 压电陶瓷
(a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
§ 7-1 压电陶瓷
当外力F=0时，压电陶瓷表面存在一层表面电荷，其 大小与压电陶瓷的束缚电荷相等，符号与束缚电荷相反， 因而晶体对外不显示电性。
机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换效率，
由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形 式损失或向周围介质传播，因而K总是小于1的。
§ 7-1 压电陶瓷
不同材料的k值不同；同种材料由于振动方式不同，k 值也不同。
常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数k33 、 以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数kp（或 称径向机电耦合系数kr）。
§ 7-1 压电陶瓷
E
电致伸长
(a) 极化前
(b) 预极化后
剩余伸长
(c) 预极化后撤出外场
陶瓷的预极化示意图
§ 7-1 压电陶瓷
• 压电材料分类： 压电单晶 压电陶瓷 压电聚合物 压电复合材料
§ 7-1 压电陶瓷
• 应用举例： 水声技术：水声换能器 超声技术：超声清洗、超声乳化、超声分散 高电压发生装置：压电点火器、引燃引爆、压电变压器 电声设备：麦克风、扬声器、压电耳机 传感器：压电地震仪 压电驱动器
§ 7-1 压电陶瓷
2. 钨青铜型结构
• [BO6]氧八面体以顶角相连构 成骨架。
• B离子为Nb、Ta、W等。 • [BO6]骨架间存在三种空隙： A1（较大）、A2（最大）、C （最小）
• 氧八面体中心因所处位置的 对称性不同可能为B1和B2 • 填满型与非填满型。
钨青铜结构在（001)面上的投影
§ 7-1 压电陶瓷
• 晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。 • 所有铁电单晶都具有压电效应。 • 对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，
但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同， 使ΣP =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极 化处理，使ΣP ≠0，才能对外显示压电效应。 • 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶 瓷也应是铁电陶瓷化
方
向
X
Y
振动方向
条状振子 K31（横向耦机电合系数）
极 化
振 动
方 向
方 向
极
Z
化
方
向
柱状振子 K33（纵向机电耦合系数）
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）。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。
反映应力（应变）和电场（电位移）间的关系
§ 7-1 压电陶瓷
压电电压系数g：单位应力T所产生的电场强度E；或单 位电荷所产生的形变。
机械量
压 电 元件
压电效应的可逆性
电量
§ 1-1 压电陶瓷
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
§ 1-1 压电陶瓷
§ 7-1 压电陶瓷
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。
z z b
o
x
压电陶瓷
§1 压电陶瓷 §2 透明电光陶瓷
§ 1 压电陶瓷
§1-1 压电材料概述 §1-2 压电陶瓷的主要参数 §1-3 铅基压电陶瓷 §1-4 无铅压电陶瓷
§ 1 压电陶瓷
重点掌握的几个概念： 压电效应 预极化 准同型相界 软性取代 硬性取代
§ 1 压电陶瓷
§1-1 压电材料概述 • 正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加机械作用
阻率ρ和抗电强度Eb等表征。 作为压电材料，还必须补充一些参数： 压电系数d、g 机电耦合系数k 机械品质因素Q 频率系数N
§ 7-1 压电陶瓷
压电系数d ：单位机械应力T所产生的极化强度P
d P / T （C/N）
或：单位电场强度V/x所产生的应变△x/x
d (x / x) /(V / x) x /V （m/V）