压电陶瓷

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。
§ 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
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
§ 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
§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
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-1 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
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。
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
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。
§ 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，
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图（a）表示了 天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶 体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经 过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时 垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机 械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压 电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
§ 7-1 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。
机械量
压 电 元件
压电效应的可逆性
电量
§ 7-1 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。
§ 7-1 压电陶瓷
。。。。。。。。
§ 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+
§ 7-1 压电陶瓷
z
o
x
y
x
z z
b
o
o
y
x
cy
a
(a)
(b)
(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
_
Fy
Fy
_
+
+
Fx→
↓
Leabharlann Baidu
↓
←Fx
+
_
_
±
+
+
_
Fx→
（b）无外力时[1000]晶面
_
+
_
+
_
←Fx
(c)x轴受压时[1000]晶面
+
_
+
↑
↑
Fy
(d)
y轴受Fy压时[1000]晶面
图 石英晶体的压电效应示意图
§ 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。
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。
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。
§ 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
第七章(2) 压电陶瓷
§7-1 压电陶瓷 §7-2 透明电光陶瓷
§ 7-1 压电陶瓷
§7-1-1 压电材料概述 §7-1-2 压电陶瓷的主要参数 §7-1-3 铅基压电陶瓷 §7-1-4 无铅压电陶瓷
§ 7-1 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
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）