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。
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。
通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。
关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性0 引言压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。
它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。
与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。
利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。
通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。
为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。
我国对生态环境的保护也是相当重视的。
因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。
但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。
因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。
本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。
1 测量参数和实验方法依据目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下：GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）GB 11312-89 压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方法GB 11310-89 压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。
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，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为tan 1CR其中3为交变电场的角频率, R为损耗电阻，C为介质电容。
s R1C1 s L1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Q m的定义为:谐振时振子储存的机械能 cQm谐振时振子每周所损失的机械能2兀机械品质因数可根据等效电路计算而得式中R1为等效电阻（Q）, s为串联谐振角频率（Hz ）, C1为振子谐振时的等效电容（F），L1为振子谐振时的等效电感。
mlcc电容压电效应参数-回复MLCC电容（Multilayer Ceramic Capacitor，多层陶瓷电容器）是一种常见的电子元件，在电路中具有广泛的应用。
压电效应是一种物理现象，它描述了某些材料在受到机械应力时会产生电荷分离现象。
本文将逐步介绍MLCC电容及其压电效应的参数，以帮助读者更好地了解这些概念。
第一部分：MLCC电容1. 什么是MLCC电容？MLCC电容是一种由多个薄层陶瓷片组成的电容器。
这些陶瓷片由金属电极交替各层连接而成，形成一个电容元件。
2. MLCC电容的特点是什么？MLCC电容具有以下特点：- 体积小，适用于紧凑型电子设备；- 容量范围广，可满足不同电路的需求；- 低损耗，提供高效能的电容性能；- 宽温度范围，适用于各种工作环境；- 价格相对较低，制造成本较低。
第二部分：压电效应1. 什么是压电效应？压电效应是指一些特殊材料在受到机械应力时会产生电荷分离现象的现象。
这些材料被称为压电材料，它们可以将机械能转化为电能。
2. 压电效应的原理是什么？压电效应的原理基于压电材料的晶格结构和分子极性。
当压电材料受到外部应力时，晶体结构会发生微小变形，导致正负电荷的分离。
这种电荷分离会产生电势差，从而在材料两端形成电压。
第三部分：MLCC电容的压电效应参数1. MLCC电容与压电效应有什么关系？MLCC电容利用了压电效应来实现电荷的存储和释放。
通过施加电压以改变电容器的电场，可以使MLCC电容的压电材料发生变形，以增加或减少电容器的电容。
2. MLCC电容的压电效应参数有哪些？MLCC电容的压电效应参数包括：- 压电常数：是一个描述压电效应强度的物理常数。
它表示在单位应力下单位体积的变形量和相应电势差之比。
- 机械耦合系数：表示压电材料在受到外力时的能量传递效率。
- 频率特性：压电材料的压电效应在不同频率下可能会有所不同。
频率特性描述了压电效应随频率变化的趋势。
结束语：本文详细介绍了MLCC电容和其压电效应的参数。
. . 压电陶瓷的性能参数解析 制造优良的压电陶瓷元器件，通常要对压电陶瓷性能提出明确的要求。因为压电陶瓷性能对元器件的质量有决定性的影响。因此，要讨论和认识压电陶瓷的元器件，就必须首先要了解压电陶瓷的性能参数与量度方法。 压电陶瓷除了具有一般介质材料所具有的介电性和弹性性能外，还具有压电性能。压电陶瓷经过极化处理之后，就具有了各向异性，每项性能参数在不同方向上所表现的数值不同，这就使得压电陶瓷的性能参数比一般各向同性的介质陶瓷多得多。压电陶瓷的众多的性能参数是它被广泛应用的重要基础。 （1） 介电常数 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C，电极面积A和电极间距离t之间的关系为 ε=C·t/A (1-1) 式中，各参数的单位为：电容量C为F，电极面积A为m2，电极间距t为m，介电
常数ε为F/m。 有时使用相对介电常数εr（或κ），它与绝对介电常数ε之间的关系为 εr=ε/εo (1-2) 式中，εo为真空（或自由空间）的介电常数，εo=8.85×10-12（F/m），而εr则
无单位，是一个数值。 压电陶瓷极化处理之前是各向同性的多晶体，这是沿1(x)、2(y)、3(z)方向的介电常数是相同的，即只有一个介电常数。经过极化处理以后，由于沿极化方向产生了剩余极化而成为各向异性的多晶体。此时，沿极化方向的介电性质就与其他两个方向的介电性质不同。设陶瓷的极化方向沿3方向，则有关系 ε11=ε22≠ε33 （1-3）
即经过极化后的压电陶瓷具有两个介电常数ε11和ε33。
由于压电陶瓷存在压电效应，因此样品处于不同的机械条件下，其所测得的介电常数也不相同。在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT 表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表 . . 示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。
根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T
，
ε11S，ε11S
。
（2） 介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为
(1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，IR大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。通常用tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3） 弹性常数 . . 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系 S=sT (1-5) T=cS (1-6) 式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，
单位为N/m2。 但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。设有如图1-2所示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变S1，而在方向2上产生应变S2，由（1-5）式不难得出 S1=S11T1 (1-7) S2=S12T1 (1-8)
上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比，即
(1-9) 它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。 同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。极化过
的压电陶瓷，其独立的弹性顺度常数只有5个，即S11，S12，S13，S33和S44。 独立的弹性劲度常数也只有5个，即C11，C12，C13，C33和C44. . . 由于压电陶瓷存在压电效应，因此压电陶瓷样品在不同的电学条件下具有不同的弹性顺度常数。在外电路的电阻很小相当于短路，或电场强度E=0的条件下测得的称为短路弹性顺度常数，记作SE。在外电路的电阻很大相当于开路，或电位移D=0的条件下测得的称为开路弹性顺度常数，记作SD。由于压电陶瓷为各向异相性体，因此共有下列10个弹性顺度常数： SE11，SE12，SE13，SE33，SE44，SD11，SD12，SD13，SD33，SD44。
同理，弹性劲度常数也有10个： CE11，CE12，CE13，CE33，CE44，CD11，CD12，CD13，CD33，CD44。
（4） 机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生损耗的原因在于内摩擦。机械品质因数可以根据等效电路计算而得：
(1-10) 式中，R1为等效电阻，ωS为串联谐振角频率，C1为振子谐振时的等效电容，其值为
(1-11) 其中，ωp为振子的并联谐振角频率，Co为振子的静电容。以此值代入式1-10，得到
(1-12) (1-13) 当△f=fp-fs很小时，式1-13可简化为
(1-14) 不同的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的Qm值有不同的要求，多数陶瓷滤波器要求压电陶瓷的Qm要高，而音响元器件及接收型换能器则要求Qm要低。 （5） 压电常数 对于一般的固体，应力T只引起成比例的应变S，用弹性模量联系起来，即T=YS； . . 压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷。其所产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，用介质电位移D（单位面积的电荷）和应力T（单位面积所受的力）表示如下： D=Q/A=dT (1-15) 式中，d的单位为库仑/牛顿（C/N） 这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电场E时成比例地产生应变S，其所产生的应变为膨胀或为收缩取决于样品的极化方向。 S=dE (1-16) 式中，d的单位为米/伏（m/v）。 上面两式中的比例常数d称为压电应变常数。对于正和逆压电效应来讲，d在数值上是相同的，即有关系
(1-17) 对于企图用来产生运动或振动（例如，声纳和超声换能器）的材料来说，希望具有大的压电应变常数d。 另一个常用的压电常数是压电电压常数go，它表示内应力所产生的电场，或应变所产生的电位移的关系。常数g与常数d之间的关系如下： g=d/e (1-18) 对于由机械应力而产生电压（例如留声机拾音器）的材料来说，希望具有高的压电电压常数g。 此外，还有不常用的压电应力常数e和压电劲度常数h；e把应力T和电场E联系起来，而h把应变S和电场E联系起来，既 T=-eE (1-19) E=-hS (1-20) 与介电常数和弹性常数一样，压电陶瓷的压电常数也与方向有关，并且也需考虑“自由”，“夹持”、“短路”、“开路”等机械的和电学的边界条件。因此，也有许 . . 多个压电常数。现以压电陶瓷薄长片样品为例说明之，如图1-3所示。
(1-21) 设有薄长片的极化方向与方向3平行，而电极面与方向3垂直。 在短路即电场E=0的条件下，薄长片受沿方向1的应力T1的作用时，压电常数d31
与电位移D3，应力T1之间的关系如下：
在机械自由，即T=0的条件下，薄长片只受到方向3的电场强度E3的作用时，压电常数d31与应变S1及电场E3之间有如下的关系：
(1-22) 在开路，即D=0的条件下，薄长片只受到伸缩应力T1的作用时，压电常数g31与应
力T1及电场E3之间的关系为：
(1-23) 在机械自由，即T=0的条件下，薄长片只受到沿方向3电位移D3的作用时，压电常
数g31与电位移D3及应变S1之间的关系为：
(1-24) 从式（1-21）至（1-24）可以看出，如果选择（T，E）为自变量时，相应的压电常数为d；如果选择（T，D）为自变量时，相应的压电常数为g。同理，选择（S，E）为自变量时，其边界条件为机械夹持或电学短路，选择（S，D）为自变量，其边界条件为机械夹持或电学开路，则相应的压电常数各为e和h。它们之间有如下的关系：
(1-25) (1-26) 由此可见，由于选择不同的自变量或测量时所处的边界条件不同，可得d、g、e、h四组压电常数，而其中用得最多的是压电常数d。考虑到压电陶瓷材料的各向异性，所以它有如下四组压电常数： d31=d32,d33,d15=d24 g31=g32,g33,g15=g24 e31=e32,e33,e15=e24
