壓電材料簡介及其技術參數

壓電材料簡介及其技術參數

    壓電材料是受到壓力作用時會(hui) 在兩(liang) 端麵間出現電壓的晶體(ti) 材料。1880年，法國物理學家P. 居裏和J.居裏兄弟發現，把重物放在石英晶體(ti) 上，晶體(ti) 某些表麵會(hui) 產(chan) 生電荷，電荷量與(yu) 壓力成比例。這一現象被稱為(wei) 壓電效應。隨即，居裏兄弟又發現了逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體(ti) 會(hui) 產(chan) 生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體(ti) 對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體(ti) 發生宏觀極化，而晶體(ti) 表麵電荷麵密度等於(yu) 極化強度在表麵法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩(liang) 端麵會(hui) 出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會(hui) 因電荷中心的位移導致材料變形。

    壓電材料可以因機械變形產(chan) 生電場，也可以因電場作用產(chan) 生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來製作智能結構，此類結構除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應性和自修複性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。

壓電材料的技術參數：

壓電係數d33

壓電係數是壓電體(ti) 把機械能轉變成電能或把電能轉變成機械能的轉變係數，反應壓電材料彈性性能與(yu) 介電性能之間的耦合關(guan) 係

自由介電常數εT33（free permittivity）

電介質在應變為(wei) 零（或常數）時的介電常數，其單位為(wei) 法拉/米。

相對介電常數εTr3（relative permittivity）

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

介質損耗（dielectric loss）

電介質在電場作用下，由於(yu) 電極化弛豫過程和漏導等原因在電介質內(nei) 所損耗的能量。

損耗角正切tgδ（tangent of loss angle）

理想電介質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小於(yu) 900，它的餘(yu) 角δ（δ+ψ=900）稱為(wei) 損耗角，它是一個(ge) 無因次的物理量，人們(men) 通常用損耗角正切tgδ來表示介質損耗的大小，它表示了電介質的有功功率（損失功率）P與(yu) 無功功率Q之比。即： 電學品質因數Qe（electrical quality factor）

電學品質因數的值等於(yu) 試樣的損耗角正切值的倒數，用Qe表示，它是一個(ge) 無因次的物理量。若用並聯等效電路表示交變電場中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR

機械品質因數Qm（mechanical quanlity factor）

壓電振子在諧振時儲(chu) 存的機械能與(yu) 在一個(ge) 周期內(nei) 損耗的機械能之比稱為(wei) 機械品質因數。它與(yu) 振子參數的關(guan) 係式為(wei) ：泊鬆比（poissons ratio）

泊鬆比係指固體(ti) 在應力作用下的橫向相對收縮與(yu) 縱向相對伸長之比，是一個(ge) 無因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11

串聯諧振頻率fs（series resonance frequency）

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

並聯諧振頻率fp（parallel resonance frequency）

壓電振子等效電路中並聯支路的諧振頻率稱為(wei) 並聯諧振頻率，用f p 表示，即f p = 諧振頻率fr（resonance frequency）

使壓電振子的電納為(wei) 零的一對頻率中較低的一個(ge) 頻率稱為(wei) 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(wei) 零的一對頻率中較高的一個(ge) 頻率稱為(wei) 反諧振頻率，用f a 表示。

大導納頻率fm（maximum admittance frequency）

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

小導納頻率fn（minimum admittance frequency）

壓電振子導納小時的頻率稱為(wei) 小導納頻率，這時振子的阻抗大，故又稱為(wei) 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(wei) 基音頻率，通常成為(wei) 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(wei) 泛音頻率。

溫度穩定性（temperature stability）

溫度穩定性係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，某頻率的數值變化與(yu) 該溫度下頻率的數值之比，稱為(wei) 頻率的溫度係數TKf。

另外，通常還用大相對漂移來表征某一參數的溫度穩定性。

正溫大相對頻移=△f s (正溫大)/ f s(25℃)

負溫大相對頻移=△f s (負溫大)/ f s(25℃)

機電耦合係數（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）

機電耦合係數K是彈性一介電相互作用能量密度平方V122與(yu) 貯存的彈性能密度V1與(yu) 介電能密度V2乘積之比的平方根。

壓電陶瓷常用以下五個(ge) 基本耦合係數

A、平麵機電耦合係數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電耦合效應的參數。）

B、橫向機電耦合係數K31（反映細長條沿厚度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機電耦合效應的參數。）

C、縱向機電耦合係數K33（反映細棒沿長度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機電耦合效應的參數。）

D、厚度伸縮機電耦合係數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電效應的參數。）

E、厚度切變機電耦合係數K15（反映矩形板沿長度方向極化，激勵電場的方向垂直於(yu) 極化方向，作厚度切變振動時機電耦合效應的參數。）

壓電應變常數D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）

壓電應變常數是在應力T和電場分量EM(M≠I)都為(wei) 常數的條件下，電場分量E變化所引起的應變分量SI的變化與(yu) EI變化之比。

壓電電壓常數G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

該常數是在電位移D和應力分量TN（N≠I）都為(wei) 常數的條件下，應力分量TI的變化所引起的電場強度分量EI的變化與(yu) TI的變化之比。

居裏溫度TC(CURIE TEMPERATURE)

壓電陶瓷隻在某一溫度範圍內(nei) 具有壓電效應，它有一臨(lin) 界溫度TC，當溫度高於(yu) TC時，壓電陶瓷發生結構相轉變，這個(ge) 臨(lin) 界溫度TC稱為(wei) 居裏溫度。

溫度穩定性(TEMPERATURE STABILITY)

指壓電陶瓷的性能隨著溫度變化的特性，一般描述溫度穩定性有溫度係數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

頻率常數(FREQUENCY CONSTANT)

對於(yu) 徑向和橫向長度伸縮振動模式，其頻率常數為(wei) 串聯諧振頻率與(yu) 決(jue) 定此頻率的振子尺寸（直徑或長度）的乘積。對於(yu) 縱向長度厚度和伸縮切變振動模式，其頻率常數為(wei) 並聯諧振頻率與(yu) 決(jue) 定此頻率的振子尺寸（長度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M