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压电材料与应用
主要内容





压电材料的原理
压电效应是指某些介质在力的作用下,产生形变,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。
压电材料概述
压电材料类别

石英( SiO2 ,J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的),性稳定,但价格高,一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中;

PZT、BaTiO3、PTiO3、铋层状陶瓷等。

聚二***乙烯(PVF2)是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜,当在膜厚方向加直流高压电场极化后,就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性,并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末,制成混合复合材料(PVF2—PZT)。

压电陶瓷与聚合物的复合,同时兼具陶瓷的高压电性能,又有聚合物的韧性,一些指标特别优异。0-3型、1-3型、3-3型。
压电材料概述
各种压电材料的优缺点
压电单晶
优点:Q值较大,有良好的温度特性。
缺点:制程困难,价格贵。
压电陶瓷
优点:抗酸碱,机电耦合系数高,易制程任意形状,价格便宜。
缺点:温度系数大,需高压极化处理(kV/mm)。
压电聚合物
优点:低声学阻抗特性,柔软可做极薄的组件。
缺点:压电参数小,需极高的极化电场(MV/mm)
压电材料概述
1、压电常数d33
压电常数是反映力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向(z轴)施加压应力T3时,在电极面上产生电荷,则有以下关系式:
式中d33为压电常数,足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向,第二个数字指应力或应变方向;T3为应力;D3为电位移,它是压电介质把机械能(或电能)转换为电能(或机械能)的比例常数,反映了应力(T)、应变(S)、电场(E)或电位移(D)之间的联系,直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
压电材料性能指标
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量,是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是:
或
压电陶瓷振子(具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体)的机械能与其形状和振动模式有关,不同的振动模式将有相应的机电耦合系数,。
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp(平面耦合系数);
薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31(横向耦合系数);
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33(纵向耦合系数)等。
压电材料性能指标
Kp
K33
Kt
K15
K31
压电材料性能指标
3、机械品质因数Qm
压电陶瓷在振动时,为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大,能量消耗越小。机械品质因数Qm的定义式是:
其中:
fr为压电振子的谐振频率
fa为压电振子的反谐振频率
R为谐振频率时的最小阻抗Zmin(谐振电阻)
C0为压电振子的静电容
C1为压电振子的谐振电容
压电材料性能指标
4、频率常数N
对某一压电振子,其谐振频率和振子振动方向长度的乘机为一个常数,即频率常数。
N=fr×l
其中:
fr为压电振子的谐振频率;
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动
Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
N15=fr×lt
D为圆片的直径
t为薄板的厚度
l为棒的长度
lt为薄板的厚度
压电材料性能指标