壓電材料簡介及其技術(shù)參數(shù)

壓電材料簡介及其技術(shù)參數(shù)

    壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年，法國物理學(xué)家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。隨即，居里兄弟又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，即在外電場作用下壓電體會產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負(fù)離子的相對位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現(xiàn)異號電荷。反之，壓電材料在電場中發(fā)生極化時，會因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。

    壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

壓電材料的技術(shù)參數(shù)：

壓電系數(shù)d33

壓電系數(shù)是壓電體把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能或把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的轉(zhuǎn)變系數(shù)，反應(yīng)壓電材料彈性性能與介電性能之間的耦合關(guān)系

自由介電常數(shù)εT33（free permittivity）

電介質(zhì)在應(yīng)變?yōu)榱悖ɑ虺?shù)）時的介電常數(shù)，其單位為法拉/米。

相對介電常數(shù)εTr3（relative permittivity）

介電常數(shù)εT33與真空介電常數(shù)ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一個無因次的物理量。

介質(zhì)損耗（dielectric loss）

電介質(zhì)在電場作用下，由于電極化弛豫過程和漏導(dǎo)等原因在電介質(zhì)內(nèi)所損耗的能量。

損耗角正切tgδ（tangent of loss angle）

理想電介質(zhì)在正弦交變電場作用下流過的電流比電壓相位超前90 0，但是在壓電陶瓷試樣中因有能量損耗，電流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）稱為損耗角，它是一個無因次的物理量，人們通常用損耗角正切tgδ來表示介質(zhì)損耗的大小，它表示了電介質(zhì)的有功功率（損失功率）P與無功功率Q之比。即： 電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe（electrical quality factor）

電學(xué)品質(zhì)因數(shù)的值等于試樣的損耗角正切值的倒數(shù)，用Qe表示，它是一個無因次的物理量。若用并聯(lián)等效電路表示交變電場中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR

機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm（mechanical quanlity factor）

壓電振子在諧振時儲存的機(jī)械能與在一個周期內(nèi)損耗的機(jī)械能之比稱為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。它與振子參數(shù)的關(guān)系式為：泊松比（poissons ratio）

泊松比系指固體在應(yīng)力作用下的橫向相對收縮與縱向相對伸長之比，是一個無因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11

串聯(lián)諧振頻率fs（series resonance frequency）

壓電振子等效電路中串聯(lián)支路的諧振頻率稱為串聯(lián)諧振頻率，用f s 表示，即

并聯(lián)諧振頻率fp（parallel resonance frequency）

壓電振子等效電路中并聯(lián)支路的諧振頻率稱為并聯(lián)諧振頻率，用f p 表示，即f p = 諧振頻率fr（resonance frequency）

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f r 表示。

反諧振頻率fa（antiresonance frequency）

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f a 表示。

大導(dǎo)納頻率fm（maximum admittance frequency）

壓電振子導(dǎo)納大時的頻率稱為大導(dǎo)納頻率，這時振子的阻抗小，故又稱為小阻抗頻率，用f m表示。

小導(dǎo)納頻率fn（minimum admittance frequency）

壓電振子導(dǎo)納小時的頻率稱為小導(dǎo)納頻率，這時振子的阻抗大，故又稱為大阻抗頻率，用f n表示。

基頻（fundamental frequency）

給定的一種振動模式中低的諧振頻率稱為基音頻率，通常成為基頻。

泛音頻率（fundamental frequency）

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（temperature stability）

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℃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。

另外，通常還用大相對漂移來表征某一參數(shù)的溫度穩(wěn)定性。

正溫大相對頻移=△f s (正溫大)/ f s(25℃)

負(fù)溫大相對頻移=△f s (負(fù)溫大)/ f s(25℃)

機(jī)電耦合系數(shù)（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）

機(jī)電耦合系數(shù)K是彈性一介電相互作用能量密度平方V122與貯存的彈性能密度V1與介電能密度V2乘積之比的平方根。

壓電陶瓷常用以下五個基本耦合系數(shù)

A、平面機(jī)電耦合系數(shù)KP（反映薄圓片沿厚度方向極化和電激勵，作徑向伸縮振動時機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）

B、橫向機(jī)電耦合系數(shù)K31（反映細(xì)長條沿厚度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）

C、縱向機(jī)電耦合系數(shù)K33（反映細(xì)棒沿長度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）

D、厚度伸縮機(jī)電耦合系數(shù)KT（反映薄片沿厚度方向極化和電激勵，作厚度方向伸縮振動的機(jī)電效應(yīng)的參數(shù)。）

E、厚度切變機(jī)電耦合系數(shù)K15（反映矩形板沿長度方向極化，激勵電場的方向垂直于極化方向，作厚度切變振動時機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。）

壓電應(yīng)變常數(shù)D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）

壓電應(yīng)變常數(shù)是在應(yīng)力T和電場分量EM(M≠I)都為常數(shù)的條件下，電場分量E變化所引起的應(yīng)變分量SI的變化與EI變化之比。

壓電電壓常數(shù)G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

該常數(shù)是在電位移D和應(yīng)力分量TN（N≠I）都為常數(shù)的條件下，應(yīng)力分量TI的變化所引起的電場強(qiáng)度分量EI的變化與TI的變化之比。

居里溫度TC(CURIE TEMPERATURE)

壓電陶瓷只在某一溫度范圍內(nèi)具有壓電效應(yīng)，它有一臨界溫度TC，當(dāng)溫度高于TC時，壓電陶瓷發(fā)生結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，這個臨界溫度TC稱為居里溫度。

溫度穩(wěn)定性(TEMPERATURE STABILITY)

指壓電陶瓷的性能隨著溫度變化的特性，一般描述溫度穩(wěn)定性有溫度系數(shù)或大相對漂移二種方法。

十倍時間老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一參數(shù)

頻率常數(shù)(FREQUENCY CONSTANT)

對于徑向和橫向長度伸縮振動模式，其頻率常數(shù)為串聯(lián)諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（直徑或長度）的乘積。對于縱向長度厚度和伸縮切變振動模式，其頻率常數(shù)為并聯(lián)諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（長度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M