• 四角晶胞：电矩方向是c轴方向； • 菱方晶胞：电矩方向是菱方体的对角线方向。
3．极化强度
极化强度：单位体积内电矩的矢量和。 p pi/V
压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章， 沿空间各方向均匀分布。因此电矩的矢量和为0，即极化 强度为0。这种状态，被称为去极化状态。
习题
1. 压电陶瓷PZT的优点、分类？ 2. 晶胞常数有哪些？ 3. 钙钛矿结构特点与各离子在晶胞中的位置？ 4. 自发形变、自发极化（及其方向） 5. 极化强度 6. 去极化状态
• 高静压力对材料性能的影响
第一节 结束
第二节 压电陶瓷的内部结构
晶态固体（晶体）：食盐、云母、金刚石 非晶态固体：玻璃、松香、塑料
○ 晶体具有对称的外形，非晶体则没有；
○ 一些物理性质各向异性，如：杨氏模量、硬度、折射率、电阻率、磁化 率，非晶体则是各向同性的； ○ 晶体具有熔点，非晶体没有； ○ 晶体在外力的作用下，容易沿着一定的平面裂开，这平面称为解理面， 而非晶体没有解理面。 ○ 组成晶体的分子、原子或离子有规则的周期性地排列，称为晶体点阵结 构，非晶体的微粒没有排列规则；
在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关 •t＞Tc(居里温度)，立方晶胞 •t＜Tc，c边增大，a,b边缩小，四角晶胞(菱方晶胞) 由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称 自发形变。
由于压电陶瓷具有钙钛矿结构ABO3 • t＞Tc(居里温度)，立方晶胞中正负离子的对称中心重合，
第三节 压电陶瓷的介电性能
一、极化过程
压电陶瓷是电介质，置于电场中将会被极化，产生 一定的极化强度，极化强度的大小随电场的增大而增大。 这一过程称为极化过程。
第三节 压电陶瓷的介电性能
剩余极化状态
将压电陶瓷置于电场中，它的极 化强度将随电场强度的增大而增大。 在到达C点处达到饱和。若逐渐减小 电场强度，极化强度将沿着另一条曲 线逐渐减小。当电场降为0时，极化
测试
极化Байду номын сангаас
上电极
烧成
排塑
四、压电陶瓷的性能
• 老化：压电陶瓷在经过极化、上电极是暂时加热到高温或
其他较大的扰动后，其参数将随时间变化称为老化。
• 居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度 时，压电性能会完全消失。
• 电退极化：在压电陶瓷上加与原极化电场反向的强电场， 将引起退极化。
• 抗张强度：抗张强度« 抗压强度
晶体的结构特点是晶胞周期性重复排列，为描述晶胞的几何特征， 通常用晶胞的三个边长a,b,c和三边的夹角α,β,γ 来描述晶胞的大小和 形状，称为晶胞常数。
a ＝ b＝c α=β=γ=90° 立方晶胞，构成的晶体称为立方晶系 a≠b ≠ c α=β=γ=90° 四角晶胞，构成的晶体称为四角晶系 a ＝ b＝c α,β,γ ≠ 90° 菱方晶胞，构成的晶体称为三角晶系
单晶体：组成整块晶体的微粒都按一定的规则排列，如天然生 长的方解石，人工培养的单晶硅、红宝石。 多晶体： 有些晶体的晶粒内的微粒是规则排列，但晶粒的大 小和形状不同，取向也是凌乱的，因此无明显的规则外形，也 不表现出各向异性，成为多晶体。
一、晶体的内部结构
常用压电陶瓷是多晶体，有多个小晶粒组成。根据实验分析，晶 粒内部原子或离子有空间的周期性排列的特点。整个晶粒就像小格子 在三维空间中重复出现形成的。这种小格子称为晶胞。每个晶粒内的 粒子子都是规则排列，但各晶粒间排列方向不一致，因此从整体的角 度看是杂乱无章的。
压电陶瓷属于钙钛矿结构(CaTiO3),其共同特点是：
• 分子式可以写成ABO3形式，A是二价正离子(Pb2+,Ba2+ ), B是四价正离子(Ti4+,Zr4+ ),
• 相应的离子在晶胞中的位置也相同 A位于六面体的八个顶点上，B位于六面体中心，O2-位于六个 面的面心
二、自发形变与自发极化
1．自发形变
◎ PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间稳 定性。
◎ PZT8(大功率发射型)：高抗张强度和稳定性，高机械Q值， 适合大振幅激励。
3．其他压电陶瓷
• 偏铌酸铅 PbNb2O6 • 铌酸钾钠 (K,Na)NbO3 • 钛酸铅 PbTiO3
三、压电陶瓷的生产工艺
配方
混合
预烧
粉碎
成型
• 1947-1949，发现了钛酸钡的压电性，并解决极化问题； • 1950年，确定了锆钛酸铅（PZT）的铁电性质； • 1954年，发现了PZT有非常强和稳定的压电性，PZT的发
现使压电陶瓷得到了迅速推广和广泛应用。
二、压电陶瓷的分类
1．钛酸钡 BaTiO3
• 优点：机电耦合系数高、化学性质稳定 • 缺点：居里点低115°，机电性能常温下不稳定，
强度保留在某一个值 P，r 称为剩余极
化强度。
继续加反向电场，直到该电场加到 E c，极化强度才变为0。
这个电场称为矫顽电场。循环一周，就可以得到一个封闭的曲 线，称为电滞回线。具有这种功能的材料被称为铁电材料。
换能器技术课程
第一章 压电陶瓷的物理性能 与压电方程
主要内容
第一节 压电陶瓷简介 第二节 压电陶瓷的内部结构 第三节 压电陶瓷的介电性能 第四节 压电陶瓷的弹性性能 第五节 压电性能和压电方程
第一节 压电陶瓷简介
一、压电陶瓷的产生与发展
• 1945年前后，苏联、英美日等国各自独立地发现了钛酸 钡压电陶瓷的高介电常数和铁电性；
不呈电性； • t＜Tc，晶格变为四角晶胞，晶胞中正负离子的对称中心不
再重合，产生电矩。
电偶极子：一对带有相同电量q，相距l的正负电荷。
电矩：电量q与矢径 l的乘积。
pql
l
2．自发极化
在居里温度Tc以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产 生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。
强电场下介电损耗大，老化率较大
2．锆钛酸铅（PZT） Pb(ZrxTi1-x)O3
• 压电性能优异；居里点高 300-400°，温度稳定性好； • 机械强度大；化学惰性；制作方便； • 可改变化学组分，添加杂质，适合各种需求
锆钛酸铅压电陶瓷分类：
◎ PZT4(发射型)：低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场、 介电常数、机电耦合系数、压电常数，适合强电场、大振幅 激励，用作发射。