(完整版)实验二：压电材料的压电常数d33测试

实验二材料的压电性能测试1.原理当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。

这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。

正压电效应的压电方程式如下：=,1==iD j,2Tmd36,4,5,3,1,2mmj式中，j为哑脚标，表示对j求和。

D为电位移，即表面电荷密度(单位：C/ m2)。

d为压电应变常数。

T为应力值（单位：N/m2）。

2.实验仪器设备本实验采用美国Radiant公司生产的压电测试系统，该系统由精密工作站、压电d参数测试仪（Piezo-d Meter）、开关转换盒（Switch Box）三部分组成（见图1）。

图 13.测量步骤1) 接通测试系统的电源，打开精密工作站的电源开关，起动精密工作站。

2) 按下Ctrl＋Alt＋Del，并输入密码，登录到WindowsNT，系统会自动打开VisionPro 窗口。

注意：不要打开高压工作站（HVI）和高压放大器（HV A）的电源。

3) 把从压电d参数测试仪DRIVE端引出的同轴电缆线与精密工作站前面面板的DRIVE端连接；把从开关转换盒RETURN端引出的同轴电缆线与精密工作站前面面板的RETURN端连接（见图1）。

4) 转动压电d参数测试仪的压力刻度盘，使刻度盘的指针指向零，即调零（见图2）。

图 25) 把压电样品放在金属尖端和金属托盘之间，转动转盘（DIAL），使金属尖端不断靠近并压紧样品，以使压力刻度盘的读数为5（见图3）。

图 36) 用鼠标选择“QuikLook”菜单下的“Piezo-d”命令，打开一个标题为“Piezo-d QuikLook”的对话框（见图4）。

7) 在“Piezo-d Task Name”中，写入实验的名称。

8) 在“Piezo-d Period”中，写入测量周期。

采用默认值5ms。

9) 在“Force Measure Calibration”中，写入4.14e-010。

ptz8压电陶瓷的压电应变常数d33 文档下载说明Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document ptz8压电陶瓷的压电应变常数d33can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to knowdifferent data formats and writing methods, please pay attention!压电陶瓷是一种特殊材料，具有压电效应，即在施加机械应力或电场时会产生电荷分布的变化，从而产生电压。

而压电应变常数d33是衡量压电效应的重要参数之一，表示了压电陶瓷在沿着其厚度方向施加力或电场时，产生的单位厚度变形相对于施加的电场或力的比值。

压电应变常数d33是压电材料的一项重要性能参数，通常用来描述材料的压电效应。

一、实验目的本实验旨在探究无铅压电陶瓷的制备工艺、性能测试及其在压电应用中的潜在价值。

通过实验，了解无铅压电陶瓷的物理化学性质，掌握其制备过程，并评估其在压电性能方面的表现。

二、实验材料与设备1. 实验材料：- 钛酸铋钠（Na0.5Bi0.5TiO3，简称NBT）- 钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3，简称BST）- 氧化铋（Bi2O3）- 氧化钡（BaO）- 氧化钠（Na2O）- 氧化钾（K2O）- 氧化锂（Li2O）2. 实验设备：- 搅拌机- 烧结炉- 压电测试仪- 扫描电子显微镜（SEM）- X射线衍射仪（XRD）- 能量色散谱仪（EDS）三、实验步骤1. 粉体合成：将上述原料按一定比例混合，在搅拌机中充分混合均匀，制备成粉末。

2. 烧结：将混合好的粉末装入模具，在烧结炉中加热至一定温度，保温一段时间后冷却。

3. 性能测试：利用压电测试仪测试样品的压电性能，包括介电常数、介电损耗、压电系数等。

利用SEM、XRD和EDS分析样品的微观结构和物相组成。

四、实验结果与分析1. 介电性能：实验结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的介电常数（εr=1000-3000），介电损耗较低（tanδ=0.001-0.02），表现出良好的介电性能。

2. 压电性能：实验结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的压电系数（d33=300-500pC/N），在压电应用中具有较高的潜力。

3. 微观结构：SEM结果表明，样品具有良好的晶粒结构，晶粒尺寸约为1-2 μm。

XRD结果表明，样品主要由NBT相组成，并伴有少量其他相。

EDS结果表明，样品中元素分布均匀。

4. 性能优化：通过调整原料比例、烧结温度等参数，可以进一步优化无铅压电陶瓷的性能。

例如，增加氧化铋的含量可以提高材料的压电系数，降低烧结温度可以缩短烧结时间。

五、结论本实验成功制备了NBT基无铅压电陶瓷，并对其性能进行了测试。

结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的介电常数、压电系数和良好的微观结构，具有在压电应用中的潜力。

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。

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。

压电陶瓷制备与测试实验报告一、实验要求1、了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。

2、了解压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。

3、掌握压电陶瓷材料压电、介电性能等性能测试方法。

4、掌握压电陶瓷的性能分析方法。

二、压电陶瓷材料制备过程主要包括以下步骤：配料-混合-预烧-粉碎-成型-排胶-烧结-被电极-极化-测试。

1、配料：Bi2O3···14.1244113464136 Sc2O3···4.13930659262249 PbO···23.339070300907 TiO2···8.397211760056962、原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行修正计算，然后进行原料的称量。

按化学配比配料以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。

实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。

3、混合球磨后的原料进行预烧。

预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。

将预烧反应后的材料使用行星式球磨机粉碎。

4、成型的方法主要有四种；轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。

轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。

除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3％左右。

成型以后需要排胶。

粘合剂的作用只是利于成型，但它是一种还原性强的物质，成型后应将其排出以免影响烧结质量。

5、烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。

烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。

烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。

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。

广东工业大学实验报告学院电子科学与技术（电子信息材料及元器件）专业班成绩评定学号姓名（号）教师签名十二题目：压电陶瓷压电性能测定第周星期一、实验目的iv. 了解压电常数的概念和意义；v. 掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。

vi. 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d ij 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” 旋钮使面板表指电子科学与技术专业实验指导书126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，记录于表12-1。

7. 取三次测量的平均值。

六、实验数据测试与记录。