压电材料原理应用专业知识讲座课件.ppt

1、本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。电介质材料电介质材料电介质电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电阻率大于阻率大于1010 cm的一类在电场中以感应而并非传导的的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。方式呈现其电学性能的物质。电介质材料的主要效应：电介质材料的主要效应：压电性压电性-压电效应压电效应热释电性热释电性-热释电效应热释电效应铁电性铁电性-自发极化与铁电体自发极化与铁电体32种点群中，种点群中，21种点群没有对称中心，其中种点群没有对称中心，其中

2、20种点群具有压电效应，种点群具有压电效应，其中只有其中只有10种种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。的才是铁电体。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。自发极化自发极化

3、本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电效应压电效应：在20种晶体上施加压力、张力、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。热释电效应：热释电效应：10种种极性晶体具有自发极化，晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效热释电效应应铁电效应：铁电效应：极性晶体具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是具有电滞回线。压电、热释电和铁电效应的关系 电介质(绝缘体)与导体不同，带电粒子被束缚在固定位置上，在电场作用下，仅能作微小的位移，即产生电极电极化化，但不

4、产生电流，称这种性质为介电性本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。极性晶体与非极性晶体在晶体的32种对称群中，有11种具有对称中心，晶格上为非极性原子或分子，在电性上是完全电中性的，称为各向同性介电体另有20种结构的晶体，其结构上无对称中心，在压力作用下可产生极化现象，此即压电效应极性晶体的极化可能是自发产生的极性晶体的极化可能是自发产生的,此时在结构中产生永此时在结构中产生永久久偶极矩。偶极矩。当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向种变化可能是大

5、小和方向同时变化，也可能仅仅是方向上的变化上的变化本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。C热释电效应与铁电效应的实质两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自发极化偶极矩发生变化，从而使晶体表面出现束缚电荷，即热释电效应； 自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效应本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。D压电、热释电和铁电效应的关系介电体介电体 压电体压电体 热释电体热释电体铁电体铁电体本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之

6、处，请联系本人或网站删除。6.2.1 6.2.1 压电效应压电效应正压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，在极性晶体上施加压力、张力、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。这种机械能转化为电能的现象称为现正负电荷。这种机械能转化为电能的现象称为“正压正压电效应电效应”。逆压电效应：逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种

7、电能转化为机去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。自由电荷自由电荷极化方向极化方向逆压电效应逆压电效应极化方向极化方向+ + + + + + + 释放电荷释放电荷正压电效应正压电效应力力本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，

8、请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。+ + + + + + + + + + 释放电荷释放电荷极性压电效应极性压电效应极化方向极化方向本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。极极化化方方向向+ + + + + + + 非极性压电效应非极性压电效应释放电荷释放电荷本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电效应可逆性压电效应可逆性 压 电 元 件机 械 量电 量本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电材

9、料的压电材料的u压电常数压电常数d d3333u机电耦合系数机电耦合系数K Kp pu机械品质因数机械品质因数Q Qm mu频率常数频率常数N N本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。1 1、压电常数、压电常数d d3333 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电反映力学量（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。场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：3333TdD 式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极

10、面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机压电材料进行机电能量转换能力的反映电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：转换时输入的总电能得的机械能通过逆压电

11、效应转换所2K转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K或或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。伸缩振动：伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。极化方向与电场方向平行时产生的振动。 包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。包括

12、长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。极化方向与电场方向垂直时产生的振动。 包括平面切变振动、厚度切变振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。弹性波传播方向与极化轴平行。横向效应：横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。弹性波传播方向与极化轴垂直。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。KpK33KtK15K31本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。3 3、机械品质因数、机械品质因数Q

13、 Qm m 工业上很多压电元件是利用工业上很多压电元件是利用谐振效应谐振效应而形成的，比如压电滤波器、超而形成的，比如压电滤波器、超声换能器、压电谐振器。声换能器、压电谐振器。当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频率率frfr一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量，即产生机械损耗。消耗部分能量，即产生机械损耗。QmQm便是描述这种能量损耗的参数便是描述这种能量损耗的参数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消

14、耗能量。机械品质因数Q Qm m是是反映能量消耗大小反映能量消耗大小的一个参数。的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。越大，能量消耗越小。机械品质因数机械品质因数Q Qm m的定义式是：的定义式是：耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作

15、为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。4 4、频率常数、频率常数N N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即的乘积为一个常数，即频率常数频率常数N N。N=frl其中：其中：f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度。为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒细长棒K33振动振动N33=frl薄板切变薄板切变K15振动振动N15=frltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板

16、的厚度l为棒的长度为棒的长度lt为薄板的厚度为薄板的厚度本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。6.2.2 6.2.2 压电材料简要发展历史压电材料简要发展历史l 1.1880 1.1880 年，居里兄弟发现了年，居里兄弟发现了石英晶体石英晶体存在压电效应后使存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。l 2.1921 2.1921 年，年，J.Valasek J.Valasek 发现了发现了水溶性酒石酸钾钠水溶性酒石酸钾钠具有压具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性

17、地第一电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。次发现材料的铁电性。l 3.1941-1949 3.1941-1949 年间，科研人员发现年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷具有铁电性具有铁电性能。能。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。l 4.1954 4.1954 年美国的年美国的JaffeJaffe等发现等发现锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT） 陶瓷的具有陶瓷的具有良好的压电性能。在以后的良好的压电性能。在以后的30 30 年间，年间，PZTPZT材料以其较强且稳材料以其较强且稳定的压电性能成为

18、应用最广的压电材料，是定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器压电换能器的主的主要功能材料。要功能材料。l 5.5.随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系高了，二元系PZTPZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料三元、四元甚至五元压电材料。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电材料应用：压电材料应用： 机机- -电耦合之间的纽带！电耦合之间的纽带！作为机械能

19、与电能相互转换的机电换能方面的应用作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电加速器，变压器等加速器，变压器等本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电材料分类：压电材料分类：压电单晶体：压电单晶体：有石英有石英( (包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英) )、水溶性压、水溶性压电晶体电晶体( (包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、

20、酒石酸二钾、硫包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酸锤等) )；多晶体压电陶瓷：多晶体压电陶瓷：有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。高分子压电材料：高分子压电材料：极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 压电参数小，需极高压电参数小，需极高的极化电场的极化电场(MV/mm)本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删

21、除。石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2，是，是属三方晶系的氧化物单晶体属三方晶系的氧化物单晶体结构。天然结构的石英晶体结构。天然结构的石英晶体外形是一个六角柱状外形是一个六角柱状6.2.3 6.2.3 石英晶体石英晶体本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。石英晶体各个方向的特性是不同的 x轴（轴（1轴）：轴）：经过六面体棱线并垂直于光轴的经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴称为电轴 y轴（轴（2轴）轴） ：与与x和和z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y称为机械轴称为机械轴 z轴（轴（3轴）轴） ：称为光轴称为光轴纵向压电效应：纵

22、向压电效应：通常把沿电轴通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”。横向压电效应：横向压电效应：而把沿机械轴而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。 而沿光轴而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力作用时不产生压电效应。 zxyo本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 石英晶体石英晶体(a) 晶体外形；晶体外形； (b) 切割方向；切割方向； (c) 晶片晶片 zxyoxzyob

23、zoxacy(a)(b)(c)本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 若从晶体上沿若从晶体上沿y方向切下一块方向切下一块晶片晶片，当沿电轴，当沿电轴x方向施加作方向施加作用力用力Fx时，在与电轴时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷， 其大小为其大小为 1111Fdq d11x方向受力方向受力,x方向产生电量的压电系数方向产生电量的压电系数zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。若在同一切片上，沿机械轴若

24、在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy，则仍在与，则仍在与x轴轴垂直的平面上产生电荷垂直的平面上产生电荷qx，其大小为，其大小为 2121Fbadq zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)式中：式中：d12y轴方向受力，轴方向受力，x方向产生电量的压电系数，方向产生电量的压电系数， 根据石英晶体的对称性，根据石英晶体的对称性， 有有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 当石英晶体沿当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿轴方向作用力

25、时，由于晶体沿x轴方向和轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即即dz=0zxyoxzyobzoxacy(a )(b )(c )本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图2是一个单是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。平

26、面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中图中“+”代代表硅离子表硅离子Si4+， “”代表氧离子代表氧离子O2-。 zxyoxzyobzoxacy(a )(b )(c )图图2图图1本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。当石英晶体未受外力作用时：当石英晶体未受外力作用时：正、负离子正好分布在正六边形的正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成顶角上，形成三个互成120夹角的夹角的电偶极矩电偶极矩1、 2、3。 =ql q为电荷量，为电荷量，l为正负电荷之间距离为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩此时正负电荷重

27、心重合，电偶极矩的矢量和等于零。的矢量和等于零。即：即：1+ 2+ 3=0所以所以晶体表面不产生电荷，即呈中晶体表面不产生电荷，即呈中性。性。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 当晶体受到沿当晶体受到沿x轴方向的压力作用时：轴方向的压力作用时：晶体沿晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。此时正负子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向方向上的分量由于上的分量由于1的减小和的减小和2、3的增加的增加而不等于零。而不等于零。在在x轴

28、的正方向出现轴的正方向出现负电荷负电荷，电偶极矩，电偶极矩在在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。方向上的分量仍为零，不出现电荷。 1111Fdq 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 当晶体受到沿当晶体受到沿y轴方向的压力作轴方向的压力作用时：用时：晶体的变形如图所示。晶体的变形如图所示。 1增大，增大， 2、 3减小减小。在在x轴上出现电荷，它的极性为轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为轴正向为正电荷正电荷。在在y轴方向上仍不出现电荷。轴方向上仍不出现电荷。 2121Fbadq 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请

29、勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 如果沿如果沿z轴方向施加作用力，轴方向施加作用力，因为晶体在因为晶体在x方向和方向和y方向所产方向所产生的生的形变完全相同形变完全相同，所以正负，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零矢量和等于零。这表明沿这表明沿z轴方向施加作用力，轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。 dz=0本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 石英晶体的特点：石英晶体的特点：性能非常稳定，机械强度高，性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英

30、材料价格昂贵，且压电系数绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。使用要求正确地选择石英片的切型。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模

31、仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。晶体具有压电性的必要条件是：晶体具有压电性的必要条件是：晶体不具有对称中心晶体不具有对称中心。所有所有铁电体铁电体都具有压电效应和热释电效应。都具有压电效应和热释电效应。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是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，一般能陶瓷材料，一般多晶体多晶体压电材料。压电材料。压电陶瓷利用其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即压电效应而制作。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

32、铁电材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，铁电材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在无外电场作在无外电场作用时用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，性，不具有压电性质不具有压电性质。铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。铁电陶瓷具有压电效应铁电陶瓷具有压电效应本文档所提供的信息仅供参考之用，不

33、能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。在陶瓷上施加外电场后在陶瓷上施加外电场后，电畴的极化方向发生转动，趋向于按，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基

34、本不变化，即剩余极化强度很大，这时的化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性材料才具有压电特性。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界

35、的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。 图图 束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图 自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴（轴（3 3轴），轴），垂直于垂直于z轴的平面上任何直线都可作为轴的平面上任何直线都可作为x （1轴）轴）或或y轴轴（2轴）轴）。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直垂直于于z轴的上、

36、下两表面上将会出现电荷轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量，其电荷量qz与与作用力作用力z成正比，即成正比，即式中：式中： d d3333 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数； 作用力。作用力。 zzFdq33本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电陶瓷在受到沿压电陶瓷在受到沿y方向的作用力方向的作用力y或沿或沿x方向的作用方向的作用力力x时，在垂直于时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负轴的上、下平面上分别出现正、负电荷电荷，其电荷量，其电荷量qz与作用力与作用力y、x也成正比，即也成正比，即xzxyzyzAAFd

37、AAFdq3132式中式中 A z极化面面积；极化面面积； Ax、A y受力面面积；受力面面积； d32、d31压电陶瓷的横向压电系数压电陶瓷的横向压电系数本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。转换性能。要求具有较高的要求具有较高的压电常数压电常数d。机械性能。机械性能。机械强度高、刚度大。机械强度高、刚度大。电性能电性能。高电阻率和高。高电阻率和高介电常数介电常数。环境适应性。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的

38、居里点，获得较宽的工作温度范围。的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。时间稳定性。要求压电性能要求压电性能不随时间不随时间变化。变化。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电陶瓷材料：压电陶瓷材料：钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处倍）。不足之处是居里点温度是居里点温度低低（120），温度稳定性和机），温度稳定性和机械强度械强度不如不如石英晶体。石英晶体。本文档所提供的信息仅供参

39、考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb(Zr,Ti)O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影以上，各项机电参数受温度影响响小小，时间稳定性好。，时间稳定性好。 在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传材料。因此锆钛酸铅系压电

40、陶瓷是目前压电式传感器中感器中应用最广泛的应用最广泛的压电材料。压电材料。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电陶瓷材料分类压电陶瓷 ： 1）一元系压电陶瓷；2）二元系压电陶瓷；3）三元系压电陶瓷；4）四元系压电陶瓷。锆钛酸铅PbTiO3-PbZrO3(PZT) 1965年问世的PCM，它由锆酸铅PbZrO3-钛酸铅PbTiO3-铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。 钛酸铅(PbTiO3)系压电陶瓷；锆酸铅(PbZrO3)系压电陶瓷本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处

41、，请联系本人或网站删除。工艺性差工艺性差（粉化，（粉化，PbOPbO易挥发）易挥发） 工艺性好工艺性好g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏米米/ /牛牛) ) g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏米米/ /牛牛) ) d d3333=56(10=56(10-12-12库库/ /牛牛) ) d d3333=191(10=191(10-12-12库库/ /牛牛) ) K Kp p =0.095 =0.095 K Kp p =0.354 =0.354 难极化难极化 易极化易极化热稳定性好热稳定性好 热稳定性差热稳定性差 T Tc c=490=490 T Tc c=

42、120=120工作温区宽工作温区宽工作温区窄工作温区窄PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。二元系二元系Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O3 3压电陶瓷压电陶瓷 因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无限固溶体无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。多元系多元系P

43、b(TiZr)OPb(TiZr)O3 3压电陶瓷压电陶瓷一些性能往往是一些性能往往是互相克制互相克制的，如：的，如： 国内比较常见的国内比较常见的PZTPZT瓷料的性能瓷料的性能K KP P=0.10=0.100.400.40，Q Qm m=500=5003600 ,3600 ,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电器件的要求，但这些性能都不是最佳值。器件的要求，但这些性能都不是最佳值。 19651965年以来，人们通过在年以来，人们通过在PZTPZT的基础上再的基础上再固溶固溶另一种组另一种组分更复杂的分更复杂的复合钙钛矿化合物复合钙钛矿化合物Pb(BPb(

44、B1 1B B2 2)O)O3 3而形成的三元系、而形成的三元系、四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。Q Qm m 增加增加 ，则，则K KP P减小减小 ；增加增加，则，则tantan增大增大 ；K KP P增加增加 ，则热稳定性，则热稳定性。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三元系三元系压电陶瓷压电陶瓷四元系四元系压电陶瓷压电陶瓷五元系五元系压电陶瓷压电陶瓷Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-Pb

45、ZrO3 3Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(SbPb(Sb1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbT

46、iO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Ni-Pb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-

47、PbZrO-PbZrO3 3Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3 -Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Cd-Pb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Mg-Pb(Mg1/31/3NbNb2

48、/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 常用压电材料性能参数常用压电材料性能参数 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途应用领域应用领域举举 例例电源电源压电变压器压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点

49、火装置激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置信号源信号源标准信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源的时间和频率标准信号源信号转换信号转换电声换能器电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件频范围的电声器件发射发射与接收与接收超声换能器超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和

50、测厚，催地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件声器件水声换能器水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等鱼群探测和传声器等本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。信信号号 处处理理滤波器滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等波器；雷达，自控和计算