低温烧结PFN_PMS_PZT压电陶瓷的显微结构与压电性能

第22卷第3期2010年9月

常州大学学报(自然科学版)

Journal of Changzhou U niv ersity(Natural Science Edition)

Vo l 22No 3

Sep 2010

文章编号:2095-0411(2010)03-0007-06

低温烧结PFN-PM S-PZT压电陶瓷的

显微结构与压电性能*

严 玲1,李 坤1,2,陈 功1,陈王丽华2

(1 常州大学材料科学与工程学院,江苏常州213164;2 香港理工大学应用物理系及材料研究中心)

摘要:采用传统固相烧结法制备了Li2WO4和BiFeO3共掺杂Pb(Fe0 5Nb0 5)O3-Pb(M n1/3Sb2/3)O3-Pb(Zr0 51T i0 49) O3(简称PFN-PM S-PZT)压电陶瓷。研究了BiFeO3掺杂量对PFN-PM S-PZT陶瓷的烧结温度、介电性能和压电性能的影响。结果表明:当Li2W O4和BiFeO3的掺杂量分别为1 5%和4%时,PFN-PM S-PZT陶瓷的烧结温度从1200 降至970 ,而且具有较好的综合性能,其电性能参数如下:d33=278pC/N,k p=0 520,Q m=714, r=975,tan =0 0048,t c= 252 。

关键词:低温烧结;锆钛酸铅;压电性能

中图分类号:T Q174 75 文献标识码:A

Microstructure and Piezoelectric Properties of Low Temperature

Sintered PFN-PMS-PZT Ceramics

YAN Ling1,LI Kun1,2,CH EN Gong1,CH EN WANG Li-hua2

(1.School of M aterials Science and Eng ineer ing,Changzho u U niversity,Changzhou213016,China; 2. Department of Applied Physics and M aterials Research Centr e,T he H o ng Kong Po lytechnic U niversity)

Abstract:Li2WO4and BiFeO3co-doped Pb(Fe0 5Nb0 5)O3-Pb(M n1/3Sb2/3)O3-Pb(Zr0 51T i0 49) O3(PFN-PM S-PZT)piezo electr ic ceramics w ere fabricated by conventional mix ing-ox ides m ethod. The effects of BiFeO3contents on the sinter ing temperature,dielectric and piezo electric pro perties w ere in v estig ated.T he results show that the sintering temperature of the ceramics w ith1 5%Li2WO4and4% BiFeO3w as decreased fro m1200 to970 .T he piezo electr ic constant(d33),electrom echanical cou pling coefficient(k p),mechanical quality factor(Q m),relativ e permittivity( r),loss tangent(tan )and cure tem perature(t c)of these ceramics w er e found to be278pC/N,0 520,714 29,975,0 0048and252 ,respectiv ely.

Key words:low temperature sintering;PZT ceramics;piezoelectric pr operties

高功率压电陶瓷器件材料要求具有高d33,高k p,高Q m,低tg 及较高居里温度的性能[1-3],4元系压电陶瓷具有优异的压电性能,适合制作高输出功率的压电变压器。但是,1200 以上的烧结温度使之在多层压电器件中不能匹配多银或全银内电极以取代昂贵的钯电极,以满足内电极共烧工艺

*收稿日期:2009-10-16

基金项目:国家自然科学基金重点项目(60979004)

作者简介:严玲(1986-),女,江苏靖江人,硕士研究生;通信联系人:李坤。

的要求[4]

。同时,较高的烧结温度会导致铅挥发,导致材料的化学计量比偏离所设计的配方,使其电性能劣化;同时铅挥发导致的环境污染更难控制。压电陶瓷低温烧结主要是为了提高器件的可靠性、低成本制造和环保。

在陶瓷烧结中,引入过渡液相可以大幅度降低烧结温度,在烧结后期液相回吸入主晶相,可保持原有压电性能不降低,其中高温液相能否在烧结后期被回吸入主晶格是影响烧结特性的重要因素[5,6]。如陕西师范大学的杨祖培等人在PZT -PFW-PM N 中添加了BiFeO 3,当BiFeO 3加入量为0 20%时,该组分的烧结温度降低到1020 ,并获得了压电性能良好的陶瓷[7]。Yeong ho Jeong 等在PMN -PNN -PZT 中添加CuO 、Fe 2O 3,获得了烧结温度较低及性能较优异的陶瓷材料配方[8]。Li 2WO 4、BiFeO 3的熔点较低,这些物质均能与钙钛矿晶格固溶,可对压电性能起到掺杂改性作用。文章根据过渡液相烧结机制,以Li 2WO 4、BiFeO 3为低烧助剂,研究了Li 2WO 4、BiFeO 3加入量对PFN-PMS-PZT 压电陶瓷的烧结温度和压电性能的影响。结果表明,适量的Li 2WO 4、BiFeO 3可显著改善陶瓷的烧结温度和压电性能。

1 样品制备和测试

陶瓷的化学式为:Pb [(Fe 0 5Nb 0 5)0 02

(Mn 1/3Sb 2/3)0 07(Zr 0 51T i 0 49)0 91]O 3+1 5%Li 2W O 4+x %BiFeO 3,其中x =1,2,3,4,5,6(简称1#、2#、3#、4#、5#、6#)。所用原料为:Pb 3O 4(99%)、TiO 2(98%)、ZrO 2(99%)、MnO 2(97 5%)、Sb 2O 3(99%)、Fe (NO 3)3 9H 2O (98 5%)、Nb 2O 5(99 5%)、LiC 2H 3O 2 H 2O (99%)、WO 3(99%)。按化学计量比分别制备Li 2WO 4、BiFeO 3和PFN -PM S-PZT 粉体。它们的预烧条件分别为:700、820和850 ,烧结时间均为2h 。将PFN -PM S -PZT 及Li 2W O 4,BiFeO 3按实验设计的化学计量比混合,湿法球磨4h;将湿料烘干后加入PVA (5%)进行造粒,在200M Pa 下干压成型。坯体于550 下排胶后置于封闭的刚玉坩锅中,在950-1010 下烧结3h 。所得陶瓷圆片经打磨、抛光、超声清洗、烘干后涂覆银浆;烧渗银电极条件为:520 、30min 。样品在120 的硅油中,以4kV /mm 电场极化15m in,并包裹于铝箔中室温

下放置24h,然后测量其电性能。

采用Archimedes 法测样品的体积密度,用谐振-反谐振法由Ag ilent4291A 精密阻抗分析仪测量样品的谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗Z,计算其机电耦合系数k p 和机械品质因子Q m 。用T H 2818型电容测量仪测量样品的电容C 和介质损耗tg ,算出相对介电常数 r 。由ZJ-3A N 型准静态d 33测量仪测出d 33。用Rig aku-D/M ax-rA 转靶X 射线衍射仪对陶瓷样品的结构进行物相分析并计算晶格参数。用扫描电子显微镜(SEM ,JSM -6360LA)观察样品的微观形貌。

2 实验结果与讨论

2 1 物相分析

图1为BiFeO 3掺杂量样品在970 烧结所得陶瓷的XRD 图谱。从图中可以看出,Li 2WO 4和BiFeO 3掺杂的陶瓷样品在2 为29!和34!附近分别有小衍射峰存在。结合SEM 中的背反射和能谱分析,该相为Pb 2Sb 2O 7烧绿石相(PDF73-1737)。这可能是离子置换或烧结温度较低所致。陶瓷样品在2 =45!附近出现衍射峰的劈裂峰(200)T 和(002)T ,表明陶瓷是四方相结构,BiFeO 3掺杂量的多少对其主相结构影响不大。

图1 不同BiFeO 3含量的PFN-PM S -PZT 压电陶瓷XRD 图谱Fig 1 XRD patterns of PFN -PMS -PZT ceramics with different

doping amounts of BiFeO 3

图2为掺杂1 5%Li 2WO 4和4%BiFeO 3的PFN-PM S-PZT 陶瓷在不同温度烧结后的XRD 图谱。从图中可以看出:烧结温度的提高不能改善晶相的纯度。其原因可能与Li +

和W +6

的半径小,易进入ABO 3结构的B 位有关。从总体的A 位和B 位离子物质的量比来看,其比例小于1。该陶瓷体系相对比较复杂,Fe 3+、Sb 5+、Nb 5+、W 6+、T i 4+、Zr 4+和Li +都可以进入B 位。高价和低价B 位离子分布的均匀性、A 位和B 离子数比例都导

8 常州大学学报(自然科学版) 2010年

致焦绿石A 2B 2O 7结构的形成。此处Sb 5+、Nb

5+

和W 6+

总含量较高,且B 位离子与A 位离子总数之比大于1,因此形成了少量烧绿石相。当补加5%的氧化铅时,可以制备出纯相的陶瓷样品,但机械品质因子相应下降到560

以下。

(a)970 (b)950 (c)990 (d)1010

图2 不同温度烧结的PFN -PMS -PZT 陶瓷XRD 图谱Fig 2 XRD patterns of PFN -PMS -PZ T ceramics sintered

2 2 显微结构

图3为不同BiFeO 3含量的PFN-PM S-PZT 压电陶瓷打磨、抛光和超声清洗后再于920 热腐蚀1h 的SEM 照片。其中图(a)-(d)对应样品的BiFeO 3掺杂量分别为:1%,2%,4%,5%。(e)为未掺Li 2WO 4,BiFeO 3在1200 烧结样品的SEM 照片。可以看出:未掺BiFeO 3的样品晶粒较小,并存在较明显的气孔;随着BiFeO 3添加量的增加,晶粒逐渐长大、致密性提高、晶界清晰,成瓷性良好。

由于Li 2WO 4和BiFeO 3的熔点分别只有742和917 ,在烧结温度下形成液相,晶粒通过液相的溶解和扩散过程进行生长比直接固相传质要容易得多;所以,适量BiFeO 3形成的液相可显著促进

晶界迁移、晶粒长大和致密化过程。但是,当掺杂量较低时,产生的液相太少,

晶粒生长中?

大吃

图3 不同BiFeO 3含量PFN-PM S-PZT 陶瓷的SEM 微观形貌

Fig 3 SEM micrograph of PFN -PMS -PZT ceramics with different doping amounts of BiFeO 3

小#进行不完全,平均晶粒较小。所有样品均残留了部分未被吸入的细小晶粒。能谱分析结果显示其主要成分为Pb 2Sb 2O 7。这也可能是XRD 谱中产生烧绿石相的原因。如果BiFeO 3的量过大,烧结中形成的液相太多,则会堵塞粉体颗粒中间的气体通道,导致气孔率增加、结构疏松。

图4为热腐蚀面上的细小晶粒的电子能谱分析。可以看出:除了锂不确定外,主要成分是:Pb 、Sb 、O 、T i 。本文采用Li 2WO 4,BiFeO 3这两种物质助烧,通过过渡液相烧结机理降低烧结温度,在烧结后期被主晶相回吸,并起到了掺杂改性的作用。由PbO -Sb 2O 5二元相图可知[9],PbO,Sb 2O 5在820 开始形成低共熔混合物,PbO 与Sb 2O 5在1100 时能形成大量液相[9],但要使这

些液相完全被主晶相回吸则需要更高的烧结温度;而此样品的烧结温度为970 ,该温度下Li 2WO 4和BiFeO 3可以形成液相,但可能液相中的Pb 、Sb 成分不能被主晶相完全吸收,所以在晶界处会存在主要元素是Pb 、Sb 、O 的第二相。图5为含4%BiFeO 3的PFN-PM S-PZT 陶瓷样品分别在(a)-(d)为950,970,990,1010 下保温3h 的SEM 照片。从图5中可看出,低温烧结陶瓷的热腐蚀表面细小粒子相对较多,随着烧结温度提高细小粒子逐渐减少。说明高的烧结温度有利于主晶相对PbO 与Sb 2O 5形成的杂相的吸收。

2 3 BiFeO 3的影响

图6,图7分别为在970 烧结样品的d 33、

9 严玲等 低温烧结PF N -PM S-P ZT 压电陶瓷的显微结构与压电性能

Q m 、k p 、tg 、

r 随BiFeO 3含量的变化曲线。Li 2W O 4的含量为1 5%。结果表明:样品随

BiFeO 3含量的增加,d 33、k p 、

r 、tan 呈极值型变化。BiFeO 3含量为4%时,d 33、k p 、 r 达到最大值,tg 达到最小值,因此,适量的Li 2W O 4和BiFeO 3在降低烧结温度的同时也起了掺杂改性,并有利于陶瓷致密度的提高;当BiFeO 3含量高于4%时,d 33、k p 、 r 降低,tg 增加,这可能是过量的BiFeO 3在烧结中形成的液相太多,堵塞粉体颗粒中间的气体通道,导致气孔率增加、结构疏松,材料性能的劣化。另外,随BiFeO 3含量的增加,Q m 呈线性减小趋势,这可能是由于Bi 3+离子半径与Pb 2+离子半径相近,W 6+离子半径与Ti 4+离子半径相近发生高价取代引起的,高价取代低价可带来富余的正电荷,因而陶瓷体晶格中将出现大量的Pb 空位以平衡电价。Pb 空位的出现,使由于逆压电效应所产生的机械应力及几何形变在一定的空间范围内得到缓冲,因而使电畴翻转时所要克服

的势垒降低,畴壁易于运动,因而这类材料较?软#,其Q m 降低。而Li +,Fe 3+的离子半径与Ti 4+

离子半径非常接近,进入晶格B 位后,能使压电性能向?硬#的方面变化,但这里并未使PFN -PM S -PZT 材料性能?硬#性化。W 6+,Li +,Fe 3+都易进入ABO 3结构中的B 位,从总体的A 位和B 位离子比例来看,其比例小于1,此时,富余的B 位离子促使形成了少量烧绿石相。另外,由于陶瓷系统中同时含有Nb 5+、W 6+和Sb 5+

等高价态离子,Fe 3+

进入B 位后如果与高价态离子相邻,则导致平均电荷与T i 4+相当,降低了使陶瓷"硬"化的效率,这与PMN -PZT 中掺杂Fe 2O 3情况类似[10]

。

图4 4号样品晶界处二次相能谱图

Fig 4 EDS p atterns of the second phase on the grain bou ndary of

sample 4

图8为970 烧结样品的居里温度t c 随BiFeO 3含量的变化。可以看出:随着BiFeO 3含量的增加,t c 呈下降趋势。其原因可能是Li 2W O 4,BiFeO 3的掺杂降低了材料整体晶体结构的稳定性,从而降低了材料的t c 。

图5 不同温度烧结的PFN-PM S-PZT 陶瓷SEM 微观形貌Fig 5 S EM micrograph of PFN -PMS -PZT ceramics sintered

图6 烧结样品的d 33、Q m 、k p 与BiFeO 3含量的关系曲线Fig 6 The Q m 、k p and d 33value of PFN -PMS -PZT ceramics sin

tered as a function of B iFeO 3content

图7 烧结样品的tan 、 r 与BiFeO 3含量的关系曲线Fig 7 The tg and r of PFN -PMS -PZT ceramics sintered as a

function of B iFeO 3content

2 4 烧结温度的影响

图9和图10分别为PFN -PM S -PZT (+

10 常州大学学报(自然科学版) 2010年

1 5%Li 2WO 4+4%BiFeO 3)陶瓷样品的d 33、Q m 、k p 、tg 、 r 随烧结温度的变化曲线,结果表明:随烧结温度的增加,d 33、Q m 、k p 、tan 、 r 呈极值型变化。当烧结温度为970 时,Q m 、d 33、k p 、 r 达到最大值;当烧结温度高于970 时,Q m 、d 33、k p 、 r 呈下降趋势。从图5中可看出,随着烧结温度的升高,晶粒过分长大变得非常明显,晶粒均匀性变差;同时,过高的烧结温度导致液相挥发,增加陶瓷的气孔率,降低陶瓷致密度,这些因素造成了样品的压电,介电性能在高温烧结时反而降低。而tg 在970 时出现极小值,随后又随烧结温度的升高而略微增大。一般认为阻抗较高的压电陶瓷的介电损耗源于晶界和晶粒两个部分。晶粒对损耗的贡献与畴壁的运动和晶粒电导有关,在外电场作用下,畴壁与畴壁、畴壁与晶格、畴壁与缺陷之间将发生相互作用,因而导致畴壁在运动过程中的能量损耗[11]。晶界对介电损耗的贡

献主要是晶界的漏导。由于低温掺杂物质在烧结中

图8 烧结样品的居里温度与BiFeO 3含量的关系曲线Fig 8 t c of PFN -PMS -PZT ceramics sintered as a function of

B iFeO 3

content

图9 PFN-PM S-PZT 陶瓷样品的d 33、Q m 、k p 与烧结温度的关

系曲线

Fig 9 T he Q m ,k p and d 33valu e of PFN -PMS -PZ T ceramics sin

tered at different temperature

图10 PFN-PM S -PZT 陶瓷样品的tg 、 r 与烧结温度的关系曲

线

Fig 10 The tg , r of PFN -PMS -PZ T ceramics s intered at differ

ent temperature

被回吸,晶界残留的玻璃相较少。原本漏导较大的BiFeO 3被吸入晶相,减少了晶界漏导对介电损耗的贡献。而在晶粒中,导电性较强的铁离子浓度低,难以产生d-d 相互作用。因此,陶瓷的损耗都很小,且变化不大。

图11为PFN-PM S-PZT (+1 5%Li 2WO 4+4%BiFeO 3)陶瓷样品在不同频率下(1、10、100、1M H z)的升温介电温谱。结果表明:不同频率下的介电常数温谱基本重叠,表明频率对介电常数的影响不大。陶瓷材料的介电常数在252 时获得最大值,由此可知,PFN -PM S -PZT (+1 5%Li 2WO 4+4%BiFeO 3)陶瓷样品的居里温度为252 。为了防止压电器件的退极化,其材料的居里温度一般要求大于250

[12]

。这样的居里温

度可以保证大功率器件在所用温度范围内的性能稳定。另外,从图中可以看出,该陶瓷的介电损耗随温度的变化较小,即使在接进居里温度时,损耗也

图11 PFN-PM S-PZT 陶瓷样品的介电温谱

Fig 11 Temperature dependence of dielectric constant for PFN -PMS -PZT ceramics

11 严玲等 低温烧结PF N -PM S-P ZT 压电陶瓷的显微结构与压电性能

不超过0 1,这对该陶瓷在高温介电器件方面的应用非常有利。

3 结 论

根据过渡液相烧结机制,以Li2WO4、BiFeO3为低烧助剂,研究了Li2WO4、BiFeO3的加入量对PFN-PM S-PZT压电陶瓷的烧结特性和压电性能的影响。结果表明:?在该体系掺入适量的Li2W O4、BiFeO3可显著降低烧结温度和改善低温烧结陶瓷的压电性能。但过量掺杂Li2WO4、BiFeO3陶瓷的气孔率反而增加,陶瓷的致密性降低,晶粒均匀性变差。%Li2WO4和BiFeO3掺杂会引起PFN-PM S-PZT陶瓷产生少量烧氯石相,且随着烧结温度的升高烧氯石相含量增加。&当Li2W O4的含量为1 5%,BiFeO3的含量为4%时,可使4元系PFN-PM S-PZT的烧结温度从1200 降至970 ,而且具有高的综合性能;其电性能参数如下:d33=278pC/N,k p=0 520,Q m= 714 29,tg =0 0048, r=975,t c=252 ,该材料有希望用于制作大功率多层压电陶瓷器件。

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21.

12常州大学学报(自然科学版) 2010年

压电陶瓷测量原理..

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，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

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m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其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，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。

压电陶瓷电特性测试与分析

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）

压电陶瓷性能参数解析

压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

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，I R大时，tanδ也大；I R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

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

电子工程师必备知识

电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。

压电陶瓷测量基本知识

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

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 c Qm 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 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 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 R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）

压电陶瓷特性分析(一) 压电效应

压电陶瓷特性分析（一） 压电效应 压电效应是1880年由居里兄弟在α石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应[92]。 任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。 能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单晶，如石英(SiO2)，酒石酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC4H4O6?H2O)，锗酸铋(Bi12GeO20)等。另一类压电晶体 称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅[Pb(Zr x Ti rx)O3，代号PZT]，日本制成的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg１／３Ｎｂ２／３)O3加入PZT，代号PCM]，中国制成的锑锰锆钛酸铅[Pb(Mn1/2Sb2/3)O3加入PIT代号PMS]等。 电介质的极化 压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各向同性电介质的介电性质是不同的。 电介质在电场作用下要产生极化，极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。电场是极化的外因，极化的内因在于介质的内部，随着介质内部的微观过程的不同，极化的主要机理有三种[97]。 (1) 组成电介质的原子或离子，在电场 作用下，带正电荷的原子核与其壳层电子 的负电中心出现不重合，从而产生电偶极 矩，这种极化称为电子位移极化。 (2) 组成电介质的正负离子，在电场 作用下发生相对位移，从而产生电偶极 矩，这种极化称为离子位移极化。 (3) 组成电介质的分子是有极分子，具有一定的本征电矩，但由于热运动，取向是无序的，整个电介质的总电矩为零(图5.1)。当外电场作用时，这些电偶极矩将

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,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得变形或机械应力,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。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(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。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。

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 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压

压电陶瓷的特性及应用举例

压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。

Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。

Δ响应时间快

压电陶瓷测试方法国标

1. GB/T 15750-1995 压电陶瓷材料老化性能试验规程 GB/T 15750-1995 压电陶瓷材料老化性能试验规程 Test program for the ageing properties of piezoelectric ceramics 本标准由国营七二一厂负责起草，715所、726所、999厂、799厂、山东淄博无线电瓷件厂等单位参加... 2. GB 11311-1989 压电陶瓷材料性能测试方法泊松比σ**E的测试 GB 11311-1989 压电陶瓷材料性能测试方法泊松比σ**E的测试 Test methods for the properties of piezoelectric ceramics test for poisson's Ratio σ**E 电子工业 部标准化研究所中国科学院武汉物理研究所... 3. GB 11387-1989 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11387-1989 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 Testing methods for static flexural strength of piezoelectric ceramics 721厂... 4. GB/T 2414.2-1998 压电陶瓷材料性能试验方法长条横向长度伸缩振动模式 GB/T 2414.2-1998 压电陶瓷材料性能试验方法长条横向长度伸缩振动模式 Test methods for the properties of piezoelectric ceramics. Transverse length extension vibration mode for bar 全国铁电压电陶瓷标准化技术委员会七二一厂... 5. GB 11309-1989 压电陶瓷材料性能测试方法纵向压电应变常数d33的准静态测试 GB 11309-1989 压电陶瓷材料性能测试方法纵向压电应变常数d33的准静态测试 Test methods for the properties of piezoelectric ceramics--Quasi-static test for piezoelectric strain constant d33 机械电子工业部电子标准化研究所中国科学院声学研 究所... 6. GB 3389.4-1982 压电陶瓷材料性能测试方法柱体纵向长度伸缩振动模式 GB 3389.4-1982 压电陶瓷材料性能测试方法柱体纵向长度伸缩振动模式 Test methods for the properties of piezoelectric ceramics--Longitudinal length extension vibration mode for rod 六机部第七研究院706所... 7. GB 11320-1989 压电陶瓷材料性能测试方法低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试 GB 11320-1989 压电陶瓷材料性能测试方法低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试 Test methods for the properties of piezoelectric ceramics material with the low mechanical quality factor 全国铁电压电陶瓷测试专业标准化工作组中国科学院上海硅酸盐研究所... 8. GB/T 3389.3-2001 压电陶瓷材料性能试验方法居里温度TC的测试 GB/T 3389.3-2001 压电陶瓷材料性能试验方法居里温度TC的测试 Test methods for the properties of piezoelectric ceramics test for Curie temperature TC 国营第七二一厂... 9. GB 3389.3-1982 压电陶瓷材料性能测试方法居里温度Tc的测试

压电陶瓷的极化详解

压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。所谓极化（Poling），就是在压电陶瓷上加一强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。 1.极化机理 测试技术与理论分析表明，压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成，如图1所示。 每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子（离子）都是有规则（周期性）的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元—晶胞组成，如图2, 3所示。

晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的，如图4所示。因而称其为多晶体。晶胞在一定温度下（T＜T c），其正负电荷中心不重合，产生自发极化Ps，极化方向从负电荷中心指向正电荷中心，如图5所示。

为了使压电陶瓷处于能量（静电能与弹性能）最低状态，晶粒中就会出现若干小区域，每个小区域内晶胞自发极化有相同的方向，但邻近区域之间的自发极化方向则不同。自发极化方向一致的区域称为电畴，整块陶瓷包括许多电畴如图6所示。 人工极化处理的作用，就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。图7示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。 极化前，各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化强度为零， 如图7（a）所示。极化处理时，晶粒可以形成单畴，自发极化尽量沿外场4方向 排列，如图7(b)所示。极化处理后，外电场为零，由于内部回复力（如极化产生 的内应力的释放等）作用，各晶粒自发极化只能在一定程度上按原外电场方向取 向，陶瓷内的极化强度不再为零，如图7(c)。这种极化强度，称为剩余极化强 2. 极化条件

振动与压电陶瓷实验

压电陶瓷特性及振动的干涉测量 具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。 【实验目的】 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。 3. 测量压电陶瓷的压电常数。 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。 【实验原理】 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 (1)正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与j T 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的 压电应力常数。 (2)逆压电效应 当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系n ni i E d S =，式中ni 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。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。

压电陶瓷电特性测试与分析

压电陶瓷电特性测试与 分析 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

摘 ?要：?通过对器件进行阻抗测试可得到压电振子参数与谐振频率。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。当在压电振动板的两个电极间施加直流电压

压电陶瓷参数整理

压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 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 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （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。产生损耗的原因在于内摩擦。

m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。

压电陶瓷的种类

压电陶瓷的种类 1 铁电陶瓷ferroelecteic ceramics 具有重铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷。从晶体结构来看,铁电陶瓷的晶体的主晶相具有钙钛矿结构,钨青铜结构,铋层状结构和焦绿石结构等。 2 反铁电陶瓷antiferroelectric ceramics 具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷。 3 压电陶瓷piezoelectric ceramics 具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷,由于末经过极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向,故没有压电性。极化处理使其自发极化沿极化方向择优取向。在撤去电场后,陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化,故使陶瓷体有了压电性,成为压电陶瓷。在高温的高温度梯度场中定向析晶的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性。 4 钛酸钡陶瓷barium titanate ceramics 钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料,预先合成后再在高温下烧结而成的。 5 钛酸铅陶瓷lead titanate ceramics 钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。它通常是由四氧化三铅{或氧化铅}和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。 6 二元系陶瓷binary system ceramies 二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体,其中A 代表二价的正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等,B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+或五价的Nb5+等。最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。通过调节两种ABO3型结构的克分子比,以及用取代元素和添加物改性的方法,可以获得各种不同用途的材料。 7 锆钛酸铅陶瓷Lead zirconate ceramic 锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷,这种压电陶瓷目前受到广泛应用。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体,具有钙钛矿型结构,当锆钛比为53/47左右{即共晶相界附近}时,具有最强的压电性能。 8 三元系陶瓷ternary system ceramics 三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿性结构的锆钛酸铅{PbZrO3-PbTiO3}中二元系再增加第三种{化学通式为ABO3型}化合物而形成的三元系固溶体。所增加的第三种成分,它们的共同特点是在掺入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构。 9 铌酸盐系陶瓷niobate system piezoelectric ceramics 铌酸盐系压电陶瓷是具有氧八面体结构的铁电陶瓷,各种铌酸盐陶瓷分别具有钙钛矿型{如KnbO3},钨青铜型{如便铌酸铅PbNb2O6}和焦绿石型{如Cd2Nb2O7}等结构。它们的居里温度高,介电常数小和声速大,尤其偏铌酸铅的机械品质因数QM 很低,适用于超声检测。 10 电光{透明铁电}陶瓷electeo-optic{transparent ferroelectric}ceramics 通常指掺鑭{La}的锆钛酸铅{PZT}陶瓷等,简称PLZT,另外还有掺铋的锆钛酸铅等,它们都有电光效应。在铁电陶瓷中,电畴状态的变化伴随着光学性质的改变,通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制,可有电控双折射{细晶陶瓷}和电控光散射{粗晶陶瓷}等特性。

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用Word版

压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用 摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。 关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展 引言 1880年皮埃尔?居里和雅克?居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。1894年，德国物理学家沃德马?沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。[1] 石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。 除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。 1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。如今,随着应用范围的不断扩大以及制备技术的提升,更多高性能的环保型压电材料也正在研究中。 一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理 压电效应包含正压电效应与逆压电效应，当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，而逆压电效应是把电能转换为机械能。 1.1压电效应原理

电子工程师必备基础知识

电子工程师必备基础知识（一） 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 电子工程师必备基础知识（二） 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电；通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级（电路或产品）对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应 1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识（三） 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电；通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。 电感是电容的死对头。另外，电感还有这样一个特点：电流和磁场必需同时存在。电流要消失，磁场会消失；磁场要消失，电流会消失；磁场南北极变化，电流正负极也会变化。 电感内部的电流和磁场一直在“打内战”，电流想变化，磁场偏不让变化；磁场想变化，电流偏不让变化。但，由于外界原因，电流和磁场都可能一定要发生变化。给电感线圈加上电压，电流想从零变大，可是磁场会反对，因此电流只好慢慢的变大；给电感去掉电压，电流想从大变成零，可是磁场又要反对，可是电流回路都没啦，电流已经被强迫为零，磁场就会发怒，立即在电感两端产生很高的电压，企图产生电流并维持电流不变。这个电压很高很高，甚至会损坏电子元件，这就是线圈的自感现象。