压电陶瓷基本知识概要

简述压电陶瓷压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。

与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。

它具有压电效应。

所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。

前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。

目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。

由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。

一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。

如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。

此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。

由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。

压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。

它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。

因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。

本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。

首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。

压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。

他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。

这被称为正压电效应。

而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。

接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。

压电陶瓷具有几个主要的特性。

首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。

这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。

其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。

它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。

此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。

这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。

压电陶瓷具有广泛的应用领域。

其中一个主要应用是在传感器领域。

压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。

这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。

另一个主要应用是在换能器领域。

压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。

这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。

此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。

总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。

它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。

压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。

它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。

希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。

完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。

压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。

这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。

压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。

它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。

这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。

2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。

这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。

3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。

因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。

4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。

它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。

5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。

这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。

6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。

7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。

可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。

总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。

这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。

压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。

随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。

因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。

压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。

其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。

1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。

正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。

1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。

当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。

但实际是有损耗的。

有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。

压电陶瓷报告1.基本概念压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。

图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图所示。

图PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片1.1晶胞结构目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。

该类材料的化学通式为ABO3。

式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。

其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图所示。

压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。

如下式及图6所示。

PbTiO3（PT ）：四方相 立方相BaTiO3（BT ）：三角相 正交相 四方相 立方相自发极化的产生以BT 材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。

（a ）立方相 （b ）四方相由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因490℃ 120℃ 5℃ -90℃Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c 轴的电极化。

这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。

1.2压电效应某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。

反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。

其中，如果压力是一种高频震动，产生的就是高频电流。

如果将高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动）。

1.3压电陶瓷具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，发生正压电效应时，表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

当发生负压电效应时，形变的大小与电场强度成正比。

1.4压电作用机理压电效应首先是在水晶晶体上发现的，现在我们以水晶晶体为模型，说明产生压电效应的物理机理。

当不施以压力时，水晶晶体正、负电荷中心如上图分布，设这时正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，晶体表面不荷电（不呈压电性）。

1简介压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。

与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。

由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的。

为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向。

经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质。

2物质组成常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A 表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。

如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。

此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

3特性介电性及弹性性质压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。

压电陶瓷材料同其它弹性体一样，遵循胡克定律。

压电陶瓷的压电性压电陶瓷最大的特性是具有压电性，包括正压电性和逆压电性。

正压电性是指某些电介质在机械外力作用下，介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化，从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

4制作工艺工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。

压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。

压电陶瓷的基本原理和应用1. 压电陶瓷的定义压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，能够在受到力或压力作用下产生电荷并反之也能将电荷转换为力或位移。

它是一种特殊的功能陶瓷材料，具有压电效应、热释电效应和压阻效应等特性。

2. 压电陶瓷的基本原理压电效应是压电陶瓷的基本原理，它是指在某些特殊的材料中，当受到力或压力作用时，内部原子或分子发生畸变，产生极化，并形成正负电荷的分离。

当压力消失时，电荷又会聚集在一起。

压电陶瓷的基本原理可以用以下几个方面来解释：•压电效应：当施加压力时，陶瓷会产生电荷，并导致其内部结构的畸变。

•电压效应：当施加电压时，陶瓷会发生形变。

•应变效应：当施加外力时，陶瓷会产生与力大小相等的位移。

3. 压电陶瓷的结构和组成压电陶瓷通常由钛酸锆、铅锆酸钛、硅酸铅和双碱玻璃等高温烧结材料制成。

它的结构可以分为两个部分：•基体：主要由粒子组成的陶瓷基底，具有良好的断裂性能和机械强度。

•极化层：位于基体表面的极化层，负责传递外界压力或电场对陶瓷的刺激。

4. 压电陶瓷的应用领域由于其特殊的物理性质和压电效应，压电陶瓷在许多领域都有广泛的应用。

4.1 声学器件压电陶瓷广泛应用于声学器件中，如扬声器、听筒、麦克风等。

压电陶瓷的压电效应可以将电能转换成声能，可以将声音信号转化为电信号，实现声音的放大、传输和感应。

4.2 传感器压电陶瓷的应变效应使其成为理想的传感器材料。

压电传感器可以用于测量压力、力、加速度、形变等物理量，并将其转化为电信号进行采集和分析。

4.3 振动与控制压电陶瓷的振动和控制特性使其在仪器仪表、振动传感器和控制系统中有广泛应用。

它可以用于实现精确的振动控制，如减震、精密定位和振动补偿等。

4.4 超声波技术压电陶瓷的超声波性质使其在医疗、材料研究和工业领域中得到广泛应用。

压电陶瓷可以用于制造超声波发生器和传感器，实现超声波的产生、检测和测量。

4.5 压电陶瓷电源压电陶瓷可以利用压电效应将机械能转化为电能，用于制造压电陶瓷电源。

压电陶瓷制造工艺过程及知识点总结一、配料原料是制备压电陶瓷的基础。

对于PZT来说它的主要原料为Pb3O4、ZrO2、TiO2。

选择原料一般应注意其化学组成和物理状态。

1原料的纯度对纯度的要求应适度。

高纯原料，价格昂贵，烧结温度高，温区窄。

纯度稍低的原料，其中有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结温度降低，温区增宽。

但过低纯度原料杂质较多，不宜采用。

2杂质的利用1)杂质的类型①有害杂质对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。

②有利杂质与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相同、半径接近，能形成置换固溶的杂质。

如Ca2+、Sr2+、Ba2+、Mg2+、Sn4+、Hf4+等离子，一般在0.2~0.5%范围内，坏的影响不大，甚至有利。

2)掺杂的改性在PZT配方中，比例大的原料Pb3O4、ZrO2、TiO2分别占重量比的60%、20%和18%左右，若杂质多，引入杂质总量也多。

因此，要求杂质总含量均不超过2%，即要求纯度均在98%以上。

为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+,Ti4+离子，从而改进材料的性能。

等价取代：是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等半径较Pb2+ 离子小的二价离子取代Pb2+ 离子，结果使PZT陶瓷的介电常数ε增大↑，机电耦合系数KP增大↑,压电常数d增大↑,从而提高PZT瓷的压电性能。

易价取代：软性取代改性、硬性取代改性、其他。

软性取代改性：是指在原料中加入这些添加物后能使矫顽场强EC 减小↓，极化容易，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。

(烧成后的瓷体成黄色) （a）La3+ 、Bi3+、Sb3+ 等取代A位Pb+2离子(施主掺杂)；（b）Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等取代B位的Zr4+、Ti4+离子(施主掺杂)。

压电陶瓷片工作原理
压电陶瓷片是一种能够根据施加在其表面的压力或电场变化产生机械应变或电荷分布的陶瓷材料。

工作原理如下：
1. 压电效应：当压电陶瓷片受到机械应力或压力，如挤压、拉伸、弯曲等，会产生内部的极化现象，使其结构发生微小变形。

这种变形称为压电效应。

2. 反向压电效应：压电陶瓷片的压电效应的反向现象称为反向压电效应。

当施加的机械应力或压力消失时，压电陶瓷片会恢复到初始状态。

3. 电荷分布：当施加电场时，压电陶瓷片的分子结构会发生改变，导致电荷的重分布。

这种电荷分布会产生一个电场，称为极化电场。

4. 压电陶瓷片的应用：由于压电效应和反向压电效应，压电陶瓷片具有可控的机械应变和电荷分布特性，因此被广泛应用于传感器、振动器、压力传感器、电阻计、声学设备等领域中。

需要注意的是，压电陶瓷片的工作原理并不涉及标题中的内容，如压电器件的特性、性能等。

以上是关于压电陶瓷片工作原理的简要介绍。

压电陶瓷及其测量原理近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。

由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。

同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。

（一）压电陶瓷的主要性能及参数（1）压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。

这两种正、逆压电效应统称为压电效应。

晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。

在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。

（2）压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。

在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。

介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图1 所示，C I为同相分量，R I为异相分量，C I与总电流I 的夹角为 ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。

机械品质因数越大，能量的损耗越小。

产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。

机械品质因数m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。