下载文档原格式
一、实验目的1. 了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2. 掌握压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3. 通过实验，掌握压电陶瓷的性能测试方法，并对实验数据进行处理和分析。
二、实验原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，当受到外力作用时，会在其表面产生电荷；反之，当施加电场时，压电陶瓷会产生形变。
压电陶瓷的性能主要包括压电系数、介电常数、损耗角正切、机械品质因数等。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：压电陶瓷样品2. 实验仪器：（1）电容测微仪（2）机械标定仪（3）直流电源（4）扫描隧道显微镜（5）谐振法测定仪（6）准静态法测定仪四、实验步骤1. 样品准备：将压电陶瓷样品清洗干净，并用无水乙醇进行脱脂处理。
2. 压电陶瓷性能测试：（1）电容测微仪测试：将压电陶瓷样品固定在电容测微仪上，通过改变直流电压，观察样品的轴向变形和弯曲变形。
（2）谐振法测定：将压电陶瓷样品固定在谐振法测定仪上，测量样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
（3）准静态法测定：将压电陶瓷样品固定在准静态法测定仪上，测量样品的压电常数d33。
3. 数据处理与分析：将实验数据输入计算机，进行数据处理和分析，得出压电陶瓷的性能参数。
五、实验结果与分析1. 电容测微仪测试结果：通过电容测微仪测试，得出压电陶瓷样品的轴向变形和弯曲变形与电压的关系曲线。
根据曲线，计算出样品的压电系数。
2. 谐振法测定结果：通过谐振法测定，得出压电陶瓷样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
根据曲线，计算出样品的介电常数和损耗角正切。
3. 准静态法测定结果：通过准静态法测定，得出压电陶瓷样品的压电常数d33。
根据测定结果，分析样品的压电性能。
六、实验结论1. 压电陶瓷样品具有良好的压电性能，满足实验要求。
2. 实验过程中，通过电容测微仪、谐振法测定和准静态法测定，分别获得了压电陶瓷样品的轴向变形、弯曲变形、频率响应曲线、压电耦合系数、介电常数、损耗角正切和压电常数等性能参数。
若施加力为F3，则在电极上产生的总电荷为Q3=d33F3 (1-39)静态法的测量装置如图5所示，线路中的电容C的作用是为了使样品所产生的电荷都能释放到电容上。
因此，要求电容C越大越好，一般选择的为样品电容的几十到一百倍的低损耗电容。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
去压时先打开电键K1，使样品上所产生的电荷全部释放到电容上，用静电计测其电压V3（伏），用下式求出：Q3=(Co+C1)V3 (1-40)式中，C3为样品的静电容（法）；C为外加并联电容（法），V3为电压（伏）。
（2）动态法压电陶瓷材料的大部分参数都可以通过测量频率Fs和fa来确定。
生产上都采用动态法中的传输法。
图6给了一种简单的测量线路。
图6 简易动态法测量这种测量线路过于简单，有一些缺点，为了克服简单测量线路的缺点，通常采用图7所示的常用测量线路。
在振子两端有连接的电阻Ri，RT和RTo。
一般选择Ri≥10RT′，RT= RT′及RT小于振子的等效电阻R1。
这一测量电路中每个电阻的作用及阻值选择理由如下。
选择RT′≤R1/10，既RT′较下，而振子又与RT′并联，这样，振子的阻抗Z虽然随频率变化很大，但Z与RT′并联后的和阻抗随频率的变化却很小，因此，可以认为输入电压几乎保持不变。
可以选择（Ri+ RT′）等于信号发生器的输出阻抗和频率计的输入阻抗与（Ri+ RT′）相并联，而RT′又与振子并联，当RT′小时，它能隔离信号发生器输出电抗和频率计输入电抗对振子的影响，因此，可以提高测量fm和fn的精度。
对RT值选择是一个重要的问题。
因为RT与振子相串联，特别是振子谐振时，RT就是串联谐振电路中电阻的一部分。
RT大时，会影响谐振曲线的尖锐度，使谐振指示不准确，造成测量误差，所以要求RT越小越好。
另一方面，振子阻抗随频率的变化是通过RT上的电压变化反映到毫伏表中，为了使毫伏表能灵敏地反映这个变化，就希望大一点好。
“材料物理性能”实验指导书目录实验一无机材料线膨胀系数的测定 (1)实验二电介材料的室温绝缘电阻测定 (6)实验三材料的介电常数温度特性测试 (12)实验四压电材料谐振峰与反谐振峰的测定 (17)实验五压电材料的压电常数d33实验测定 (19)实验一无机材料线膨胀系数的测定【实验目的】掌握利用电感微位移器测定材料线膨胀系数的方法。
【实验仪器】线膨胀系数测定仪，计算机测试软件，游标卡尺。
【实验原理】1．材料线膨胀系数的测定及其测量方法固体的长度一般是温度的函数，在常温下，固体的长度L与温度t有如下关系：L＝L0（1＋αt）（1－1）式中L0为固体在t＝0℃时的长度；α称为线胀系数。
其数值与材料性质有关，单位为℃－1。
设物体在t1℃时的长度为L，温度升到t2℃时增加了ΔL。
根据（1－1）式可以写出L＝L0（1＋αt1）（1－2）L＋ΔL＝L0（1＋αt2）（1－3）从（1－2）、（1－3）式中消去L0后，再经简单运算得－4）由于ΔL<<L，故（1－4）可以近似写成－5）显然，固体线胀系数的物理意义是当温度变化1℃时，固体长度的相对变化值。
在（1－5）式中，L、t1、t2都比较容易测量，但ΔL很小，一般长度仪器不易测准，本实验中用电感位移传感器进行精确测量。
2．测量装置简介测试仪由电阻炉、加载传感器装置、滑移小车、基座好控制箱五部分组成，如图所示。
电炉升温后炉膛内的样品受热发生膨胀，顶在试样顶端的测试杆产生与之等量的膨胀量（如果不计系统的热变形量的话），这一膨胀量由电感位移传感器及仪表精确测量出来，并由仪表显示并送计算机处理，计算机数据处理后显示δ和α值是通过自动系统补偿计算结果，也可通过智能仪表显示的位移绝对值，人工记录，并按原理公式计算图1-1 热膨胀测试仪为消除系统热变形量对测试结果的影响，在计算中需加上相应的补偿值才是试样的真实膨胀值。
【实验内容】1、将基座安放水平，调整炉膛的位置，使炉膛与试样管相对运动自如，防止相互擦、碰。
压电系数(d33)压电系数(d33)是指材料在受到外加电场的作用下，产生的应变差异与电场强度差异之比的物理量。
它是评价压电材料性能的重要指标之一。
一、压电材料的定义及分类1. 压电材料的定义压电材料是指在外电场的作用下，可以产生机械应变的材料。
常见的压电材料有石英、铅锆钛酸钾、钴铝酸钡等。
2. 压电材料的分类根据不同的压电效应，压电材料可以分为强压电材料和弱压电材料两类。
其中，强压电材料的压电系数高，可用于制作高灵敏度的压电器件，而弱压电材料则广泛应用于超声波领域中。
二、压电系数的测量方法1. 电力法电力法是一种常用的压电系数测量方法，通过测量压电材料在外加电场下的电荷、电流以及系统的电容等参数，计算出压电系数。
2. 共振法共振法是基于谐振原理，通过测量压电陶瓷在共振状态下的机械压应力和外加电场的强度，计算压电系数。
3. 拉曼光谱法拉曼光谱法是利用拉曼光谱分析压电材料的压电系数的方法，该方法具有非接触、非破坏性等优点。
三、压电系数的应用1. 压电声波传感器利用压电材料的压电效应制作的压电声波传感器广泛应用于水下探测、流速测量、物体距离测量等领域。
2. 压电陶瓷换能器将压电陶瓷作为换能器件，可将电能与机械能互相转换，用于超声波探测、物体测距等领域。
3. 压电材料的力敏、形敏应用通过利用压电材料的力敏、形敏应用制作压电开关、压电加速度计等传感器设备。
总之，压电系数是评价压电材料性能的重要参数，其应用广泛，包括压电声波传感器、压电陶瓷换能器以及压电传感器等。
不同的测量方法和不同的压电材料，其压电系数存在差异，因此需要根据实际应用需求选择合适的压电材料和测量方法。
d33测试标准
D33测试是一种用于测量压电材料的机电耦合系数的方法，其标准涉及以下方面：
试样尺寸：试样为板状陶瓷片，长度L与宽度W之比，即L/W>5，以确保板状陶瓷片的单一纵向长度伸缩振动的模式，避免其他振动模式对测试结果的干涉。
频率测量：通过加入扫频激励信号检测试样的串联谐振频率fs(Hz)、并联谐振频率fp(Hz)，以便计算d33值。
精度要求：对于D33的测量范围，不同的标准可能有所不同。
例如，一些标准可能规定测量范围为0-8000PC/N，精度为±2%，而另一些标准可能规定测量范围为0-20PC/N，精度为±5%。
其他参数：如动态力、静态力、计量标定标准样尺寸、测试校准频率、测量头、测试温度范围、示波器等参数，根据具体设备和标准而有所不同。
总的来说，D33测试的标准涉及试样尺寸、频率测量、精度要求以及其他参数的设定。
需要注意的是，不同的标准可能有所不同，因此在实际操作中需要根据所使用的设备和标准进行相应的调整。
F F F-++-F Q压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能图2 压电效应的可逆性压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。
大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。
2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。
多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。
为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。
图3 陶瓷极化过程示意图 图4 束缚电荷与自由电荷排列示意图所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。
如图3所示。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。
如图4所示。
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。
当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力成正比例关系33q d F （1）其中33d 是压电陶瓷的压电系数，F 为作用力。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
F F F-++-F Q压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能图2 压电效应的可逆性压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。
大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。
2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。
多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。
为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。
图3 陶瓷极化过程示意图 图4 束缚电荷与自由电荷排列示意图所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。
如图3所示。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。
如图4所示。
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。
当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力成正比例关系33q d F （1）其中33d 是压电陶瓷的压电系数，F 为作用力。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
一定大小和方向的力，根据压电效应，样品将因形变而产生一定的电荷。
D33=d33T3若施加力为F3，则在电极上产生的总电荷为Q3=d33F3 (1-39)静态法的测量装置如图5所示，线路中的电容C的作用是为了使样品所产生的电荷都能释放到电容上。
因此，要求电容C越大越好，一般选择的为样品电容的几十到一百倍的低损耗电容。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
去压时先打开电键K1，使样品上所产生的电荷全部释放到电容上，用静电计测其电压V3（伏），用下式求出：Q3=(Co+C1)V3 (1-40)式中，C3为样品的静电容（法）；C为外加并联电容（法），V3为电压（伏）。
（2）动态法压电陶瓷材料的大部分参数都可以通过测量频率Fs和fa来确定。
生产上都采用动态法中的传输法。
图6给了一种简单的测量线路。
图6 简易动态法测量这种测量线路过于简单，有一些缺点，为了克服简单测量线路的缺点，通常采用图7所示的常用测量线路。
在振子两端有连接的电阻Ri，RT和RTo。
一般选择Ri≥10RT′，RT= RT′及RT小于振子的等效电阻R1。
这一测量电路中每个电阻的作用及阻值选择理由如下。
选择RT′≤R1/10，既RT′较下，而振子又与RT′并联，这样，振子的阻抗Z虽然随频率变化很大，但Z与RT′并联后的和阻抗随频率的变化却很小，因此，可以认为输入电压几乎保持不变。
可以选择（Ri+ RT′）等于信号发生器的输出阻抗和频率计的输入阻抗与（Ri+ RT′）相并联，而RT′又与振子并联，当RT′小时，它能隔离信号发生器输出电抗和频率计输入电抗对振子的影响，因此，可以提高测量fm和fn的精度。
对RT值选择是一个重要的问题。
因为RT与振子相串联，特别是振子谐振时，RT就是串联谐振电路中电阻的一部分。
RT大时，会影响谐振曲线的尖锐度，使谐振指示不准确，造成测量。
F F F-++-F Q压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能图2 压电效应的可逆性压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。
大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。
2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。
多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。
为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。
图3 陶瓷极化过程示意图 图4 束缚电荷与自由电荷排列示意图所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。
如图3所示。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。
如图4所示。
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。
当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力成正比例关系33q d F （1）其中33d 是压电陶瓷的压电系数，F 为作用力。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
