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人工材料
人造晶体 正磷酸镓 Gallium orthophosphate (GaPO4) 硅酸锰锑铁矿Langasite (La3Ga5SiO14) 人造陶瓷 钛酸钡 Barium titanate (BaTiO3) 钛酸铅 Lead titanate (PbTiO3) 锆钛酸铅 Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1−x]O3) 铌酸锂 Lithium niobate (LiNbO3) 钽酸锂 Lithium tantalate (LiTaO3) 钨酸钠 Sodium tungstate (Na2WO3)
极化电场、极化时间和极化温度三者必须综合考虑，它们之间 互有影响，应通过实验最终确定最佳极化工艺参数。
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4.2 压电陶瓷的极化工艺
（4）极化程度对性能的影响 压电陶瓷材料必须经过极化之后才具有 压电性能。 极化就是在直流电场的作用下使铁电畴 沿电场方向取向。 同一配方，如极化条件不同，极化进行 的程度不同，材料的性能指标可以相差很 大。一般随着极化程度的提高，d33、Kp增 加。介电损耗随着极化程度的提高而降低。 Qm随极化程度的提高而升高。
功能材料
——压电材料
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介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
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压电材料
1. 2. 3. 4. 5. 6. 基本概念（什么是压电材料？） 压电材料分类 相关压电参数 压电陶瓷工艺 压电材料实例 压电材料应用
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压电效应
1. 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而 使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时， 电荷极性也随着改变。 2. 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这 些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去 时，这些变形或应力也随之消失的现象。
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3.2 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
通过逆压电效应转换所得的机械能 K = 转换时输入的总电能
2
通过正压电效应转换所得的电能 K = 转换时输入的总机械能
2
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。
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三：压电材料重要参数
3.1 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：
D3 = d 33T3
d33单位是多少？
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。
Qm = 2π 谐振时振子储存的机械能 每一谐振周期振子所消耗的机械能
f a2 Qm = 2πf r R (C0 + C1 )( f a2 − f r2 )
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 PCMP
+ P1
+ (b )
X
－ － －
+ +
Y
-
+
(a )
(c) FX<0
当晶体受到沿X方向的压力 （FX<0）作用时 PCMP
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
晶体学特征
32种点群中的21种具有非对称中心的点群具有压电效应。 Piezoelectric Crystal Classes: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m Pyroelectric: 1, 2, m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3m, 6, 6 mm
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4.1 陶瓷体制备工艺
（3）烧成条件对性能的影响
1. 温度和时间（对晶粒的影响？）； 2. 组成对烧结的影响； 3. 添加剂对烧结的影响： “软性”添加剂可以促进烧结；“硬性”添加剂使烧 结不易进行；晶格畸变对烧结有利；液相烧结 可以促进烧结
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4.2 压电陶瓷的极化工艺
畴的反转:在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴 铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转。 矫顽电场强度（矫顽场,Ec）:使剩余极化强度降为零时的电场值称为Ec。
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一：基本概念
什么是压电效应？
压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位 移，当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果 电荷分布不在保持对称就会出现净极化，并将 伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效 应。
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一：基本概念
具有压电效应，是由其内部结构决定的，例如：组成石英晶体的硅离子Si4+和 氧离子O2-在 Z 平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图 (b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。 Y X + Y + FX － + P3 P2 + + FX X
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
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四：压电陶瓷工艺
4.1 陶瓷体制备工艺
称量
混料
煅烧
化学反应阶段
烧结
成瓷阶段
被银
极化
检测
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4.1 陶瓷体制备工艺
（1）原料对性能的影响 原料的纯度和所处的状态对压电陶瓷 材料的性能有极大的影响。同一配方，使 用不同出处的原料可能得到不同性能的陶 瓷，因此根据杂质对性能的影响，一般来 说，配料中用量大的原料，要求纯度高 些，要求达98%以上。而用量很小的添加 剂，即使纯度低些也不致引入较多的杂质。
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一：基本概念
发展历史：
1880年：居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。 1917年：首次实际应用：第一次世界大战期间，法国 Paul Langevin等研究着研制ultrasonic submarine （？） detector。 第二次世界大战期间，United States, Russia, and Japan等国家的独立课题组发现人造压电材料（称为铁 电体Ferroelectric），如：钛酸钡（barium titanate），是压电材料发展的一个飞跃。 PZT（lead zirconate titanate）具有非常强和稳定的压电效应， 具有重大实际意义。
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一：基本概念
历史：
在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶 瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、换 能器、变压器等。 随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要 求就越来越高，二元系PZT已经满足不了使用 要求，于是研究和开发性能更加优越的三元、 四元甚至五元压电材料。 2001年，PennSate Univ.发现高温压电材料 PbTiO3-BiScO3
3.4 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 的乘积为一个常数，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 薄板厚度伸缩振动 细长棒K33振动 薄板切变K15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
正压电效应(pC/N)
电能
逆压电效应(pm/V)
机械能
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压电陶瓷工作原理
• 正压电效应 • 逆压电效应
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图（实线代表形变前的情况 ，虚线代表形变后的情况）
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 电场方向
Ｅ
极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
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4.3 压电陶瓷材料主要参数的确定
材料参数Kp、Qm、d33、ε33和tgδ的确定 需采用薄圆片的径向振动模式，要求薄圆片的 直径比厚度大得多，其比值大于10。极化方向与 厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直，薄片是 均匀的圆形。 Kp测量：
如果薄圆片的Δf值较小时，可用下式直接计算： 当σ=0.27时，Kp2≌2.51Δf/fs 当σ=0.30时，Kp2≌2.53Δf/fs 当σ=0.36时，Kp≌2.55Δf/fs
变化过程：
A→B→C→B→D→F →G→B
D
Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽场
B C A F E G
极化时应处于哪个阶段？
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4.2 压电陶瓷的极化工艺
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a)极化处理前
1. 2. 3. 4.
剩余伸长 (b)极化处理中
铁电畴反转与生长 铁电畴定向 陶瓷应变伸长 产生压电效应
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2
极化时间
外加电场后，极化初期主要是陶瓷内部180°电畴 的反转，之后是90°电畴的转向，而90°电畴的转向会 由于内应力的阻碍而较难进行，因此适当延长极化时 间，电畴取向排列的程度高，极化效果好。一般极化时 间为10min～50min。 3 极化温度(?) 在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电 畴取向排列容易，极化效果好。 温度过高，陶瓷的电阻率越小，耐压强度降低，由 于高电场作用导致陶瓷体击穿，损坏压电陶瓷。常用压 电陶瓷材料的极化温度一般为50℃～150℃。