壓電陶瓷報告1.基本概念壓電陶瓷由一顆顆小晶粒無規(guī)則“鑲嵌”而成，如圖1所示。preswirc3.5DE-4Papreswirc3.5DE-4Pa■10umWU￡T圖1BSPT壓電陶瓷樣品斷面SEM照片每個小晶粒內還具有鐵電疇組織，如圖所示。圖PZT陶瓷中電疇結構的電子顯微鏡照片1.1晶胞結構目前應用最廣泛的壓電陶瓷是鈣鈦礦（CaTiO3）型結構，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb（ZrxTi1-x）O3等。該類材料的化學通式為ABO3。式中A的電價數(shù)為1或2，B的電價為4或5價。其晶胞（晶格中的結構單元）結構如圖所示。

壓電陶瓷的晶胞結構隨溫度的變化是有所變化的。如下式及圖6所示。PbTiO3(PT)：四方相空立方相正交相令90BaTiO3壓電陶瓷的晶胞結構隨溫度的變化是有所變化的。如下式及圖6所示。PbTiO3(PT)：四方相空立方相正交相令90BaTiO3(BT)：三角相4四方相4立方相四角正交能斜以BT材料由立方到四方相轉變?yōu)槔?，分析自發(fā)極化的產生，如圖7所示。(b)四方相(a(b)四方相由圖可知，立方相時，正負電荷中心重合，不出現(xiàn)電極化；四方相時，因Ti4+沿c軸上移，02-沿c軸下移，正負電荷中心不重合，出現(xiàn)了平行于 c軸的電極化。這種電極化不是外加電場產生的，而是晶體內因產生的，所以成為自發(fā)極化，其相變溫度TC稱為居里溫度。壓電效應某些介質在力的作用下，產生形變，引起介質表面帶電，這是正壓電效應。反之，施加激勵電場，介質將產生機械變形，稱逆壓電效應。其中，如果壓力是一種高頻震動，產生的就是高頻電流。如果將高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動）。壓電陶瓷具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷，發(fā)生正壓電效應時，表面電荷的密度與所受的機械應力成正比。當發(fā)生負壓電效應時，形變的大小與電場強度成正比。壓電作用機理壓電效應首先是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在我們以水晶晶體為模型，說明產生壓電效應的物理機理。不受力圈2石英晶體壓電模型當不施以壓力時，水晶晶體正、負電荷中心如上圖分布，設這時正、負電荷中心重合，整個晶體的總電矩等于零，晶體表面不荷電（不呈壓電性）。當沿x方向施加壓力遲時,晶體發(fā)生形變，正、負電荷中心分離，即電偶極發(fā)生變化，從而在X面上出現(xiàn)電荷積累，如圖所示。當沿Y軸方向施加壓力園。時，晶體形變正、負電荷中心的分布如圖此示，這時總的電偶極距發(fā)生變化并在X面上引起與前面相反符號的電荷積累。顯然，用伸拉力代替前面的壓縮力，則表明電荷的符號反過來?？傊?，對具有壓電性的晶體施加壓力時，可能引起壓電效應。1.5極化作用機理1.5.1電疇在外電場作用下的運動若在一塊多疇晶體上加足夠高的直流電場時，自發(fā)極化方向與電場方向一致的電疇便不斷增大，反之，則不斷減小，最后整個晶體由多疇變?yōu)閱萎?，自發(fā)極化方向與電場方向一致。加宜擁電場電址帝Mr坐atKtfrs聊眾電址帝Mr坐atKtfrs聊眾- feTA壓電陶瓷的極化（a）機牝前;（b）極化；（c）攝化后極化狀態(tài)是電場對電介質的荷電質點產生相對位移的作用力與電荷間互相吸引力的暫時平衡統(tǒng)一的狀態(tài)。極化機理主要有三種。（1）電子位移極化——電介質的原子或離子在電場力作用下，帶正電原子核與殼層電子的負電荷中心出現(xiàn)不重合。（2）離子位移極化——電介質正、負離子在電場力作用下發(fā)生相對位移，從而產生電偶極矩。（3）取向極化——組成電介質的有極分子，有一定的本征（固有）電矩，由于熱運動，取向無序，總電矩為零，當外加電場時，電偶極矩沿電場方向排列出現(xiàn)宏觀電偶極矩。對于各向異性晶體，極化強度與電場存在有如下關系耳—%策松耳 m，n=1，2，3式中Zjo式中Zjo為極化率，或用電位移寫成:1.5.2壓電陶瓷的電疇c軸方向決定自發(fā)極化取向壓電陶瓷中晶粒內部結構從立方相變成四方相時，任何一個軸都可能成為四方相的c軸。又因自發(fā)極化平行于c軸，所以各晶胞的自發(fā)極化取向可以彼此不同。但這不是一種能量最低狀態(tài)。能量最低原則決定疇結構為了符合能量最低原則，四方相晶粒必須形成疇結構，即晶格匹配要求 晶胞自發(fā)極化取向一致小區(qū)的存在 '晶粒中形成一定的小'區(qū)排列狀態(tài)一疇結構能量最低原則要求 自發(fā)極化取向不一致小區(qū)的搭配相結構決定疇壁類型又因為晶粒為四方相時，自發(fā)極化的取向只能與原反應立方相三個晶軸之一平行，所以，相鄰兩個疇中的自發(fā)極化方向只能成90°角或180°角，相應的電疇的交界面就分別稱為90°疇壁和180°疇壁，如圖8所示。圖8四方相晶體90°疇壁和180°疇壁示意圖壓電陶瓷的分類常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3(A表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價)型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等組成的三元系。如果在三元系統(tǒng)上再加入第四種或更多的化合物，可組成四元系或多元系壓電陶瓷。此外，還有一種偏鈮酸鹽系壓電陶瓷，如偏鈮酸鉀鈉(Na0.5?K0.5?NbO3)和偏鈮酸鍶鋇(Bax?Sr1-x?Nb2O5)等，它們不含有毒的鉛，對環(huán)境保護有利。制造特點壓電陶瓷的制造特點是在直流電場下對鐵電陶瓷進行極化處理，使之具有壓電效應。一般極化電場為3?5kV/mm,溫度100?150°C,時間5?20min。這三者是影響極化效果的主要因素。性能較好的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛系陶瓷，其機電偶合系數(shù)可高達0.313?0.694。壓電陶瓷制作3.1制作工藝工藝流程圖如下：一、 配料：進行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。二、 混合磨細：一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。三、 預燒：目的是在高溫下，各原料進行固相反應，合成壓電陶瓷.四、 造粒：目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。目前高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。五、 成型：目的是將制好粒的料壓結成所要求的預制尺寸的毛坯。六、 排塑：目的是將制粒時加入的粘合劑從毛坯中除掉。七、燒結成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結成瓷。八、外形加工：將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。九、被電極：一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。十、高壓極化：使陶瓷內部電疇定向排列。十一、老化測試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。3.2影響燒結的主要因素(1)原料的影響(2)鋯鈦比(Zr/Ti)影響隨Zr/Ti的增加，燒結溫度隨之增高，甚至難以燒結。(3)添加物的影響影響燒結的添加物主要有以下幾類：產生A位缺陷的"軟性”添加物(如La3+,Nb5+等)。利于離子擴散，燒結溫度范圍擴大，提高燒結速度。產生0空位的"硬性”添加物(如Na+,Fe3+,Sc3+等)。使晶格收縮，不利于離子擴散，較難燒結。小半徑等價取代A位離子的取代物(如Sr2+等)。使A位松動，晶格畸變而有利于離子擴散，易于燒結。生成液相的添加物(如SiO2,Bi2O3等)。在坯體中長生液相，離子易于擴散，可降低燒結溫度。能限制晶粒長大的晶界分凝添加物(如Fe3+,A|3+,Cr3+,Ni3+等)。該類添加物一部分固溶于晶格起改性作用；一部分凝聚于晶界，限制晶粒長大，導致高密度的微晶結構，提高瓷件機電性能，特別提高機械強度。預燒溫度的影響預燒溫度低時，粒度細但差別小，坯體中堆積不緊密，接觸點不多，不利擴散。預燒溫度高時，粒度粗，活性差，燒結動力小。另外，不適合的預燒溫度將增加瓷料的游離氧化物，使PbO揮發(fā)量大，導致燒結溫度增高。只有合適的預燒溫度，瓷料才兼具活性和較寬的粒度分布，堆積接觸點多，燒結后致密度高。所以，正確的預燒溫度的選定，是獲得良好燒結的一個關鍵因素。瓷料性質和成型密度的影響細磨后的瓷料粒度細，活性大，燒結動力大；粒度分布較寬，成型坯件中緊密堆積、氣孔少，加之坯件各部位盡可能均勻致密化，都利于燒結中離子擴散與瓷體致密度的提高與均勻一致。燒結條件的影響固相燒結的完善程度在燒結條件中主要取決于燒結溫度和保溫時間。燒結溫度的提高，會使離子擴散能力增強，燒結過程加速，但溫度過高，會出現(xiàn)瓷件粘結變形、二次晶粒長大、密度下降、失鉛和性能降低。溫度過低、又會出現(xiàn)氣孔率高，密度低，電性能差等現(xiàn)象。保溫時間是保證制品在燒結過程中各部分溫度均勻一致和結晶成瓷致密化不可少的重要條件。保溫時間的長短對晶粒大小和均勻程度都有一定的作用。燒結氣氛的影響一般氣氛分氧化、還原和中性三種。一般來說，PZT系陶瓷元件應在氧化氣氛中進行燒結，因為還原氣氛將使金屬氧化物金屬化、變價離子還原，從而瓷件絕緣電阻降低，tg6增大，性能劣化等。燒結在空氣中進行，即可形成氧化氣氛。以硅碳棒為發(fā)熱體的高溫爐，一般為弱氧化氣氛。這二者結合的條件下燒結，基本上可保證瓷件不會還原。配方中添加了La2O3,Bi2O3,Nb2O5,Ta2O3,Sb2O3等氧化物，燒結時更應注意氧不足的問題。燒后的制品，經中溫氧化處理后，壓電性能會有明顯改善。經排塑的坯件，在濕度大的空氣中存放過久，會吸附碳酸根、硝酸根、氯離子或氫氧根離子等，不利于瓷料顆粒接觸，阻礙燒結。因此，應控制排塑坯件的存放條件和時間。（8）燒結中PbO揮發(fā)的影響PZT系陶瓷中PbO的比例大，且PbO的熔點低，燒結中易揮發(fā)，特別是高Zr/Ti配方瓷料,PbO蒸氣壓力加大，揮發(fā)更嚴重°PbO揮發(fā)會使化學計量比偏離，加大燒結成瓷難度，達不到設計的材料性能。為了防止PbO的揮發(fā)，常采用下列措施：保證裝堝的密封；埋熟料粉；加氣氛片；蓋加多層坩堝；配方中添加0.5—1.5wt%過量PbO。4.主要用途壓力一電用正壓電效應用作高電壓發(fā)生器的有氣體點火器、照相機閃光器，用作低電壓發(fā)生器的有唱機的拾音頭,血壓計的微音器等,這些都是作為接觸式傳感器使用的。也有作空氣超聲的非接觸式傳感器的,如半導體話筒及超聲波傳聲器。電—振動位移把壓電陶瓷片疊裝即機械上串聯(lián)電氣上并聯(lián)而組成的換能器原理如圖可用于電子設備中的激光偏轉器，H—I掃描器其光學系統(tǒng)的精密位置控制。此外，還有各種壓電以上是壓電元件用于共振頻率以下的情況。在共振頻率域內作為能量轉換使用即強力超聲波發(fā)生器的有超聲波清洗機和超聲波塑料焊接機等加工設備。4.3 電-振動—電這部分的應用主要有陶瓷諧振器,壓電音叉,陶瓷濾波器和超聲波延遲線等機械品質因子大的材料用于超聲波振子,即用做超聲清洗機和超聲波馬達的振子),機械品質因子小的材料用于能量系和信號系的換能器。壓電常數(shù)大的材料用于氣體點火元件。機電藕合系數(shù)壓電常數(shù)大的材料用于傳動裝置。各系數(shù)、常數(shù)的大小適當且比較平衡的材料大多用于壓電蜂鳴器和壓電傳感器。5.壓電陶瓷幾種新的應用5.1細晶粒壓電陶瓷減小粒徑至亞微米級,可以改進材料的加工性,可將基片做地更薄,可提高陣列頻率,降低換能器陣列的損耗,提高器件的機械強度,減小多層器件每層的厚度,從而降低驅動電壓,這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處,但同時也帶來了降低壓電效應的影響。為了克服這種影響,人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝,使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當?shù)乃健?.2PbTiO3系壓電材料最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產品難的問題,人們還是在改性方面作了大量工作,改善其燒結性。抑制晶粒長大,從而得到各個晶粒細小、各向異性的改性PbTiO3材料。在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應用。5.3 壓電陶瓷-高聚物復合材料兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能,并能產生兩相都沒有的特性。它的接收靈敏度很高,比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面,壓電復合材料也有較大優(yōu)勢。5.4壓電性特異的多元單晶壓電體現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶(A=Zn2+,Mg2+)。這類單晶的d33最高可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達0.95(壓電陶瓷K33最高達0.8)，其應變>1.7%,幾乎比壓電陶瓷應變高一個數(shù)量級。儲能密度高達130J/kg,而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。6.壓電陶瓷的性能參數(shù)6.1介電常數(shù)通常用￡來表示。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如，壓電陶瓷揚聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大，而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。介電常數(shù)￡與元件的電容C,電極面積A和電極間距離t之間的關系為￡=C?t/A (1-1)式中，各參數(shù)的單位為：電容量C為F,電極面積A為m2，電極間距t為m,介電常數(shù)￡為F/m。有時使用相對介電常數(shù)sr（或k）,它與絕對介電常數(shù)￡之間的關系為￡r=￡/￡o （1-2）式中，so為真空（或自由空間）的介電常數(shù)，￡0=8.85x10-12（F/m），而￡r則無單位，是一個數(shù)值。壓電陶瓷極化處理之前是各向同性的多晶體，這是沿 1（x）、2（y）、3（z）方向的介電常數(shù)是相同的，即只有一個介電常數(shù)。經過極化處理以后，由于沿極化方向產生了剩余極化而成為各向異性的多晶體。此時，沿極化方向的介電性質就與其他兩個方向的介電性質不同。設陶瓷的極化方向沿3方向，則有關系￡11=￡22H￡33 （1-3）即經過極化后的壓電陶瓷具有兩個介電常數(shù)￡11和￡33。由于壓電陶瓷存在壓電效應，因此樣品處于不同的機械條件下，其所測得的介電常數(shù)也不相同。在機械自由條件下，測得的介電常數(shù)稱為自由介電常數(shù)，在￡T表示，上角標T表示機械自由條件。在機械夾持條件下，測得的介電常數(shù)稱為夾持介電常數(shù)，以￡S表示，上角標S表示機械夾持條件。由于在機械自由條件下存在由形變而產生的附加電場，而在機械受夾條件下則沒有這種效應，因而在兩種條件下測得的介電常數(shù)數(shù)值是不同的。根據(jù)上面所述，沿3方向極化的壓電陶瓷具有四個介電常數(shù)，即￡11T，￡33T，￡11S，￡11S。6.2介質損耗在交變電場下，介質所積蓄的電荷有兩部分：一種為有功部分（同相），由電導過程所引起的；一種為無功部分（異相），是由介質弛豫過程所引起的。介質損耗的異相分量與同相分量的比值如圖1-1所示，Ic為同相分量，IR為異相分量，Ic與總電流丨的夾角為6,其正切值為tanS=—二一-—止 （1-4）式中，⑴為交變電場的角頻率，R為損耗電阻，C為介質電容。由式（1-4）可以看出，IR大時，tan6也大；IR小時介質損耗，來源于電導過程和極化馳豫所引起的介質損耗。此外，具有鐵電性的壓電陶瓷的介質損耗，還與疇壁的運動過程有關，但情況比較復雜

因此，在此不予詳述。6.3彈性常數(shù)設應力為T,加于截面積A的壓電陶瓷片上，其所產生的應變?yōu)?S,則根據(jù)胡克定律，應力T與應變S之間有如下關系S=sT (1-5)T=cS 式中，S為彈性順度常數(shù)，單位為m2/N；C為彈性勁度常數(shù)，單位為N/m2。但是，任何材料都是三維的，即當施加應力于長度方向時，不僅在長度方向產生應變，寬度與厚度方向上也產生應變。設有如圖1-2所示的薄長片，其長度沿1方向，寬度沿2方向。沿1方向施加應力T1，使薄片在1方向產生應變S1，而在方向2上產生應變S2，由(1-5)式不難得出(1-7)S1=S11T1(1-7)S2=S12T1上面兩式彈性順度常數(shù)S2=S12T1上面兩式彈性順度常數(shù)S11和S12之比，稱為迫松比，即(1-9)S12

■Sil(1-9)它表示橫向相對收縮與縱向相對伸長之比。同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。極化過的壓電陶瓷，其獨立的彈性順度常數(shù)只有5個，即S11，S12，S13，S33和S44。獨立的彈性勁度常數(shù)也只有5個，即C11，C12，C13，C33和C44.由于壓電陶瓷存在壓電效應，因此壓電陶瓷樣品在不同的電學條件下具有不同的彈性順度常數(shù)。在外電路的電阻很小相當于短路，或電場強度E=0的條件下測得的稱為短路彈性順度常數(shù)，記作SE。在外電路的電阻很大相當于開路，或電位移D=0的條件下測得的稱為開路彈性順度常數(shù)，記作SD。

由于壓電陶瓷為各向異相性體，因此共有下列10個彈性順度常數(shù)：SE11，SE12，SE13，SE33，SE44，SD11，SD12，SD13，SD33，SD44。同理，彈性勁度常數(shù)也有10個：CE11，CE12，CE13，CE33，CE44，CD11，CD12，CD13，CD33，CD44。6.4機械品質因數(shù)它表示在振動轉換時材料內部能量消耗的程度。機械品質因數(shù)越大，能量的損耗越小。產生損耗的原因在于內摩擦。機械品質因數(shù)可以根據(jù)等效電S二 路計算而得： ^ ^ (1-10)式中，R1為等效電阻，coS為串聯(lián)諧振角頻率，C1為振子諧振時的等效電容，其值為.XiJr2-Ug2Cl= (Co4Ci)(1-11)其中，op為振子的并聯(lián)諧振角頻率，Co為振子的靜電容。以此值代入式1-10，得到Em(1-11)其中，op為振子的并聯(lián)諧振角頻率，Co為振子的靜電容。以此值代入式1-10，得到Em伽faRlCCo+Gl)(fp2-f=￡)(1-13)當厶f=fp-fs很小時，式1-13可簡化為不同的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的Qm值有不同的要求，多數(shù)陶瓷濾波器要求壓電陶瓷的Qm要高，而音響元器件及接收型換能器則要求Qm要低。6.5壓電常數(shù)壓電陶瓷具有壓電性，即施加應力時能產生額外的電荷。其所產生的電荷與施加的應力成比例，對于壓力和張力來說，其符號是相反的，用介質電位移D(單位面積的電荷)和應力T(單位面積所受的力)表示如下：D=Q/A=dT (1-15)式中，d的單位為庫侖/牛頓(C/N)這正是正壓電效應。還有一個逆壓電效應，既施加電場E時成比例地產生應變S，其所產生的應變?yōu)榕蛎浕驗槭湛s取決于樣品的極化方向。S=dE (1-16)式中，d的單位為米/伏(m/v)。上面兩式中的比例常數(shù)d稱為壓電應變常數(shù)。對于正和逆壓電效應來講，d在數(shù)值上是相同的，即有關系

對于企圖用來產生運動或振動（例如，聲納和超聲換能器）的材料來說，希望具有大的壓電應變常數(shù)d。另一個常用的壓電常數(shù)是壓電電壓常數(shù) go,它表示內應力所產生的電場，或應變所產生的電位移的關系。常數(shù)g與常數(shù)d之間的關系如下：g=d/e （1-18）對于由機械應力而產生電壓（例如留聲機拾音器）的材料來說，希望具有高的壓電電壓常數(shù)g。此外，還有不常用的壓電應力常數(shù)e和壓電勁度常數(shù)h；e把應力T和電場E聯(lián)系起來，而h把應變S和電場E聯(lián)系起來，既T=-eE （1-19）E=-hS （1-20）與介電常數(shù)和彈性常數(shù)一樣，壓電陶瓷的壓電常數(shù)也與方向有關，并且也需考慮“自由”，“夾持”、“短路”、“開路”等機械的和電學的邊界條件。因此，也有許多個壓電常數(shù)?，F(xiàn)以壓電陶瓷薄長片樣品為例說明之，如圖1-3所示。（1-21）設有薄長片的極化方向與方向3平行，而電極面與方向3垂直。在短路即電場E=0的條件下，薄長片受沿方向1的應力T1的作用時，壓電常數(shù)d31與電位移D3，應力T1之間的關系如下：在機械自由，即T=0的條件下，薄長片只受到方向3的電場強度E3的作用時，壓電常數(shù)d31與應變S1及電場E3之間有如下的關系：（1-22）在開路，即與應力T1及電場姿1=（在開路，即與應力T1及電場姿1=（譬血E3之間的關系為：（1-23）在機械自由電常數(shù)g31與電位移T=0的條件下，薄長片只受到沿方向3在機械自由電常數(shù)g31與電位移D3及應變S1之間的關系為：(1-24)從式（1-21）至（1-24）可以看出，如果選擇（T，E）為自變量時，相應的壓電常

數(shù)為d；如果選擇（T，D）為自變量時，相應的壓電常數(shù)為 g。同理，選擇（S，E）

為自變量時，其邊界條件為機械夾持或電學短路，選擇（S,D）為自變量，其邊界條件為機械夾持或電學開路,攀7尋爐與包(1-25)則相應的壓電常數(shù)各為 e和h件為機械夾持或電學開路,攀7尋爐與包(1-25)(1-26)由此可見，由于選擇不同的自變量或測量時所處的邊界條件不同，可得 d、g、e、h四組壓電常數(shù)，而其中用得最多的是壓電常數(shù)d?？紤]到壓電陶瓷材料的各向異性，所以它有如下四組壓電常數(shù):d31=d32,d33,d15=d24g31=g32,g33,g15=g24e31=e32,e33,e15=e24h31=h32,h33,h15=h24這四組壓電常數(shù)并不是彼此獨立的，知道其中一組，即可求出其它三組。6.6機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機械能與電能之間的耦合效應。機電耦合系數(shù)可定義為厝電能轉變肯機械能宀 輸衣電能或咅機撼能轉變対電能輸入機秫能由于壓電元器件的機械能與它的形狀和振動模式有關，因此，不同形狀和不同振動模式對應的機電耦合系數(shù)也不相同。壓電陶瓷的機電耦合系數(shù)列于表1-2中，它們的計算方式可從壓電方程中導出。表1-2K振子形狀和電極不為零的應力應變分量K31沿1方向長片，3面電極T1;S1,S2,S3K33沿3方向長圓棒，3端面電極T3,S1=S2,S3KP垂直于3方向的圓片的徑向振動，3面電極T1=T2,S1=S2,S3Kt平行3方向的圓片的厚度振動，3面電極T1=T2;T3;S2K15垂直于2方向的面內的切變振動，1面電極T4;S46.7頻率常數(shù)頻率常數(shù)是諧振頻率和決定諧振的線度尺寸的乘積。如果外加電場垂直于振動方向，則諧振頻率為串聯(lián)諧振頻率；如果電場平行于振動方向，則諧振頻率為并聯(lián)諧振頻率。因此，對于31和15模式的諧振和對于平面或徑向模式的諧振，其對應的頻率常數(shù)為NE1，NE5和NEP，而33模式的諧振頻率常數(shù)為ND3。對于一個縱向極化的長棒來說，縱向振動的頻率常數(shù)通常以ND3表示；對于一個厚度防線極化的任意大小的薄圓片，厚度伸縮振動的頻率常數(shù)通常以NDt表示。圓片的NDt和NDp是重要的參數(shù)。除了頻率常數(shù)NDp外，其它的頻率常數(shù)等于陶瓷體中主聲速的一半，即ND=1/2(SDpm)-1/2和NE=1/2(SEpm)-1/2，式中，SD=SE(1-K2)，各頻率常數(shù)具有相應的下角標。諧振頻率fr(resonancefrequency)使壓電振子的電納為零的一對頻率中較低的一個頻率稱為諧振頻率，用fr表示。反諧振頻率fa(antiresonancefrequency)使壓電振子的電納為零的一對頻率中較高的一個頻率稱為反諧振頻率，用fa表示。最大導納頻率fm(maximumadmittancefrequency)壓電振子導納最大時的頻率稱為最大導納頻率，這時振子的阻抗最小，故又稱最小阻抗頻率，用fm表示。最小導納頻率fn(minimumadmittancefrequency)壓電振子導納最小時的頻率稱為最小導納頻率，這時振子的阻抗最大，故又稱為最大阻抗頻率，用fn表示?；l(fundamentalfrequency)給定的一種振動模式中最低的諧振頻率稱為基音頻率，通常成為基頻。泛音頻率(fundamentalfrequency)給定的一種振動模式中基頻以外的諧振頻率稱為泛音頻率。溫度穩(wěn)定性(temperaturestability)溫度穩(wěn)定性系指壓電陶瓷的性能隨溫度而變化的特性。在某一溫度下，溫度變化1°C時，某頻率的數(shù)值變化與該溫度下頻率的數(shù)值之比，稱為頻率的溫度系數(shù)TKf。TKf=另外，通常還用最大相對漂移來表征某一參數(shù)的溫度穩(wěn)定性。正溫最大相對頻移=△fs(正溫最大)/fs(25C)負溫最大相對頻移=△fs(負溫最大)/fs(25C)7.具體事例壓電變壓器從五十年代就開始研制壓電變壓器。當時以鈦酸鋇為主要材料。升壓比較低(只有50—60倍)。輸出電壓3000伏左右。隨著鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，升壓比提高到300——500倍,逐步推廣應用于電視機、靜電復印機、負離子發(fā)生器中做為高壓電源。(1)基本原理'輸入壓電瓷片的電振動能量通過逆壓電效應轉換成機械振動能，再通過正壓電效應又換成電能。在這兩次能量轉換中實現(xiàn)阻抗變換(由低阻抗變成高阻抗)，從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出?，F(xiàn)以伸縮振動的橫縱向型變壓器為例說明變壓原理。如圖5-4所示，整個陶瓷片分成兩部分，左部為輸入端（又稱驅動部分），上、下面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向極化，右部為輸出端（又稱發(fā)電部分），其右端面有燒滲的銀電極。沿長度方向極化。當輸入端加上交變電壓時，由于逆壓電效應，瓷片產生沿長度方向的伸縮振動，將輸入電能轉變?yōu)闄C械能；而發(fā)電部分則通過正壓電效應，將機械能轉變?yōu)殡娔埽瑥妮敵龆溯敵鲭妷?。無負載時，開路升壓比為：式中Q籾—材料的機械品質因數(shù)； ◎、g—材料的縱、橫向機電耦合系數(shù)；L—發(fā)電部分的長度；T—變壓器厚度。（2）壓電變壓器的應用壓電變壓器主要用于高壓、低功率和正弦波變換的情況，具有輸出電壓高，重量輕，體積小，無泄漏磁場、不燃燒等獨特優(yōu)點。為了獲得多個電壓輸出，根據(jù)橫—縱變壓器的輸出電壓與長度成正比，越靠近發(fā)電部分端頭，電壓越高，我們可在發(fā)電部分的不同位置制作電極作為抽頭，從而獲得不同的電壓輸出。如圖5-5所示。相關知識點：8.相關知識點居里溫度也稱磁性轉變點，是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，即鐵電體從鐵電相轉變成順電相引的相變溫度。低于居里點溫度時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里點溫度時,該物質成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10的負6次方。鐵磁物質被磁化后具有很強的磁性， 但隨著溫度的