壓電材料簡(jiǎn)介及其技術(shù)參數(shù)

壓電材料簡(jiǎn)介及其技術(shù)參數(shù)

    壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年，法國(guó)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(huì)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(chǎng)作用下壓電體會(huì)產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對(duì)稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)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(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì)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(chǎng)，也可以因電場(chǎng)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(lái)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(lái)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(shí)的介電常數(shù)，其單位為法拉/米。

相對(duì)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(gè)無(wú)因次的物理量。

介質(zhì)損耗（dielectric loss）

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由于電極化弛豫過(guò)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(chǎng)作用下流過(guò)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(gè)無(wú)因次的物理量，人們通常用損耗角正切tgδ來(lái)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(wú)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(gè)無(wú)因次的物理量。若用并聯(lián)等效電路表示交變電場(chǎng)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(shí)儲(chǔ)存的機(jī)械能與在一個(gè)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(duì)收縮與縱向相對(duì)伸長(zhǎng)之比，是一個(gè)無(wú)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(duì)頻率中較低的一個(gè)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(duì)頻率中較高的一個(gè)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(shí)的頻率稱為大導(dǎo)納頻率，這時(shí)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(shí)的頻率稱為小導(dǎo)納頻率，這時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(duì)漂移來(lái)表征某一參數(shù)的溫度穩(wěn)定性。

正溫大相對(duì)頻移=△f s (正溫大)/ f s(25℃)

負(fù)溫大相對(duì)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(gè)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(lì)，作徑向伸縮振動(dòng)時(shí)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(zhǎng)條沿厚度方向極化和電激勵(lì)，作長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)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(zhǎng)度方向極化和電激勵(lì)，作長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)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(lì)，作厚度方向伸縮振動(dòng)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(zhǎng)度方向極化，激勵(lì)電場(chǎng)的方向垂直于極化方向，作厚度切變振動(dòng)時(shí)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(chǎng)分量EM(M≠I)都為常數(shù)的條件下，電場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，壓電陶瓷發(fā)生結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，這個(gè)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(duì)漂移二種方法。

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

頻率常數(shù)(FREQUENCY CONSTANT)

對(duì)于徑向和橫向長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)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(zhǎng)度）的乘積。對(duì)于縱向長(zhǎng)度厚度和伸縮切變振動(dòng)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(zhǎng)度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M