压电陶瓷材料及其应用分析ppt课件.ppt

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1、压电材料在电子材料领域已占据相当大的比重，并在各行各业得到了广泛应用。在电子学领域，如信号处理、存贮显示、接收发射、计测、信号发生器及电源等方面都得到了应用，如滤波器、延迟线、光开关、铁电存贮器、压电引信、压电电源、振动加速度计、压电陀螺、压电变压器、声表面器件等。,第六章 压电陶瓷及其应用,6.1 压电陶瓷的生产工艺,1、 压电陶瓷的极化处理 所谓极化就是在压电陶瓷上加一个强直流电场（或电压）使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。 只有经过极化处理的陶瓷才具有压电效应。为什么？ 陶瓷是多晶多相结构，其晶粒取向与电畴取向完全是随机的，各铁电畴之间的压电效应将互相抵消，从宏观上不显示电性。外施强直流

2、电场作用，将促使各晶粒的自发极化轴（电畴）将沿电场方向取向，去掉外场后，电畴有很大一部分仍保持极化后的方向，即剩余极化，使陶瓷类似具有单一晶轴的压电晶体，因而具有压电特性。,要使压电陶瓷得到完善的极化，充分发挥其压电性能，就必须合理选择极化条件：极化电场（样品单位长度上的极化电压）；极化温度；极化时间；,1）极化电场 只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，所以极化电场是极化诸条件中的主要因素。影响极化电场的因素有：,注意：不同机电耦合系数达到最大值的极化电场不一样，如PbTiO3，Kp,K31在2kV/mm时达最大，而K33、K15、Kt需在6kV/mm时达最大。,a)Kp:极化电

3、场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化越完善。一般以Kp达到最大值的电场为极化电场。,3kV/mm,从图上可以看出，样品的极化电场为3kV/mm时，机电耦合系数达到饱和状态，再增加电场，作用不大。,b)矫顽电场: 极化电场必须大于矫顽电场，且为矫顽电场的二到三倍. 矫顽电场Ec与样品的组成、结构、温度均有很大关系，相应的极化电场也会随Ec而改变，因为不同杂质会导致晶体的晶胞参数改变，对c/a越小，极化时电畴90转动所造成的内应力越小，实现转向较容易，因此极化较充分。c)极化温度：Ec随T升高而降低，因此极化温度高，则极化电场相应减小。d)Eb: 极化电场有时会受击穿强度的限制，在较高的极化电

4、场下，样品会被击穿。影响Eb的主要原因是：气孔、缝隙及成分的不均匀性，因此必须尽可能保证样品的致密度和均匀性。,2） 极化温度 前面我们已提到极化温度升高，可降低极化电场，因此极化温度对极化也有很大的影响。 在极化电场和极化时间一定的条件下，温度升高，电畴取向更容易，极化效果好，原因：,a)结晶的各向异性随温度升高而下降 对PbTiO3，在室温时，c/a=1.063；在200时，c/a=1.050，即温度升高，c/a减小,电畴作90转向所造成的内应力下降，即电畴转向所受阻力下降，极化容易进行。 对PbTiO3，在室温时，10kV/mm仍不能完全极化；而在200时，用5.5kV/mm即可充分极化

5、。 b)杂质引起的空间电荷效应 有些杂质使样品中出现大量空间电荷，空间电荷在样品中会产生一个很强的电场，该电场对外加极化电场有屏蔽作用，温度越高，电阻率越小，由空间电荷产生的电场的屏蔽越小，极化效果越好。,3）极化时间 极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果好； 极化初期，即电场刚加上去时，主要是180畴的反转，此种反转过程不产生内应力，在短时间内可完成； 90畴转向则由于内应力的阻碍而较难进行，因此需较长时间方能完成。对不同材料，适宜采用的极化时间有很大差别，而对同一种材料，极化时间与极化电场、极化温度有关，E、T高可缩短极化时间。,2、极化工艺 因空气的击穿强度较低，在室温下只有2kV

6、/mm，而有机硅油或变压器油绝缘性能好，且在油中温度易恒定，因此通常用油浸极化，即将样品入在有机硅油或变压器油中进行极化。工艺如下：a)上电极-磨边-清洗-烘干-检查，剔除电阻太小的样品；b)通电加热极化池，油温升到极化所需温度；c)将样品放好，接通电源预热几分钟，升电压到所需数值， 计时d)关高压开关，放电、清洗,极化过程中会出现击穿现象 压电陶瓷的击穿类型有： 样品中存在气孔、夹层或裂缝，引起击穿； 烧成时失铅或烧银时氧气氛不足，使样品边缘部分被还原，产生边缘击穿； 极化时90畴转向产生大的内应力，由于应力分布不均匀，形变不一致，而使样品碎裂。 解决方法：在成型，烧结等工序中，防止分层，裂

7、缝及气孔的出现，提高致密度； 烧成时防止失铅，烧银时注意通氧； 极化时缓慢升压，防止样品突变发生形变。,本章重点介绍压电陶瓷及其应用，而作为压电材料应用的大多属铁电体，通常在介绍材料时会将铁电压电材料归为一类。,6.2 铁电压电材料,前面我们已介绍的铁电压电材料以钙钛矿型结构为主，实际上，自1944年发现压电性以来，人们对铁电压电体的研究就从未间断，并从对晶体的研究转向了对陶瓷的研究中。,铁电压电材料常见结构类型：,钙钛矿型钨青铜型铌酸锂型磷酸二氢钾型水溶性有机铁电体,与晶体相比，压电陶瓷具有制造容易，可做成各种形状，可任意选择极化轴方向，易于改变瓷料组分而得到不同性能的陶瓷材料，成本低，适用

8、于大批量生产，但稳定性、一致性和精度方面没有单晶好。,一、一元系压电陶瓷1） BaTiO3系压电陶瓷 预极化后的BaTiO3压电陶瓷的压电、介电、弹性系数如图：,-200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120,(1/s11E)/1010Pa,(1/s11E),Kp,Kp,T/ ,6.1.1钙钛矿结构压电陶瓷,单晶及极化后陶瓷的介电与压电性能比较见下表：,为等静压压电系数,以Pb取代Ba，可使居里点提高，第二相转变点下降，使两转变点温度区间扩大。在此温度区间内各压电参数的热稳定性有所提高，且压电效应增大，晶格畸变大，矫顽电场增加。 若以Ca取代Ba，虽然居里点没有明显变化，

9、但第二相转变点也降低，并提高了压电、介电及弹性参数的热稳定性，减少了介电损耗。 下图分别表示了Pb、Ca改性后，陶瓷的压电系数与温度的关系。,由图可见，经过Pb、Ca改性后第二相转变点已移至-20，各压电系数虽有所下降，但其热稳定性却在提高。经Pb和Ca同时改性后，d31基本不随温度变化而变化。 此外添加其它元素改性，如添加La, Bi, Nb, Ta等，可提高材料的高温电阻率；添加Co, Ni, Cr则可降低材料的强场损耗。,2） PbTiO3系压电瓷 PbTiO3也属钙钛矿结构的铁电体，居里温度为490。在此温度下会发生顺电立方相与铁电四方相的转变。其相变前后晶胞参数的变化与BaTiO3类

10、似，但PbTiO3的c/a=1.063，较BaTiO3的c/a=1.01大，即具有更大的各相异性。 PbTiO3的矫顽电场大，故对其极化较困难。前面已介绍了极化温度、时间与极化电场的关系。对PbTiO3其极化条件应为：200，6.5kV/mm。,PbTiO3陶瓷的工艺性能差，除了在高温烧结时容易出现PbO挥发外，已烧好的瓷件在冷却过程中易出现粉化。这是因为陶瓷晶粒之间的界面能高，晶粒间缺乏足够的结合能力，当瓷体由顺电相转变为铁电相时，由于电畴及晶粒的取向不同，c/a比和体效应（膨胀）的作用，使晶粒或粒界破裂。适量添加Li, Ni, Mn, Fe等附加成分，可促进烧结，形成合适的粒间相，提高致密

11、度，降低气孔率，使相变过程中的体效应得到缓冲，可防止粉化，提高机械性能。,压电陶瓷的晶粒粗细，也很大程度上决定陶瓷的机电耦合系数。这是由于在具有微粒结构的陶瓷中，大量致密粒界的出现，既有利于自发极化的定向，也能使逆压电效应带来的大量几何形变和应力得到缓冲，这种缓冲作用，使大量机械能不能以适当的方式充分传递出去，而使K值下降。因此想获得足够高的K值，必须严格控制有 关添加物的种类及含量。右图为添加物与PbTiO3陶瓷K33的关系。,极化时间/h,用途：PbTiO3陶瓷的介电系数小，热释电系数大，接近60nC/cm2K，居里温度高、密度大，抗辐射性好，是一种理想的热释电控测器材料，但由于含铅，且铅

12、易挥发，因此需在隔离室内进行烧结，以防止由于高温铅挥发造成人体中毒。,二、二元系压电陶瓷1、 PbZrO3-PbTiO3系 此类二元系压电陶瓷的压电性能和温度稳定性能均优于BaTiO3压电陶瓷，且不同配比和含杂改性的陶瓷其性能有很大区别，我们将这类陶瓷简称为PZT系列，广泛用于水声、电声和通讯滤波器中。a）PZT结构特性： PbZrO3也是钙钛矿型结构，是居里点为230的反铁电体。当温度高于230时，为立方顺电相，低于此温度则转变为正交晶系。相变前后晶胞参数会发生变化，其变化与PbTiO3类似，但在温度低于居里点时，PbZrO3的c轴缩短，而a、b伸长，因此c/a小于1。相变前后晶胞参数与温度

13、的关系如下图：,a ,(a2c)1/3,c,由于PbZrO3与PbTiO3结构相似，且Zr与Ti离子半径相近，故二者可无限固溶。在不同温度下，其晶型结构及晶胞参数也会发生变化。,FR （高温）,FR（低温）,AT,A0,Pc,准同型相界,Tc线,Ft,PZ PT FR铁电三方相，Ft铁电四方相，AT反铁电四方相， A0反铁电正交相，Pc顺电相,从图上可以看出，随Ti、Zr比的变化，居里温度Tc近似于线性从230变至490，Tc以上为顺电相，不具铁电性和压电性。,在Tc以下，当Zr/Ti=53/47附近时，有一条同质异晶界线，称为准同型相界。在富钛侧为四方晶系，富锆侧为三角晶系，直到Zr/Ti=

14、94/6时，都是铁电体。而当Ti含量小于6%时，为反铁电相，此时无压电效应。,FR （高温）,FR（低温）,AT,A0,Pc,准同型相界,Tc线,Ft,PZ PT,在常规制作的陶瓷中，准同型相界并不是一个非常明确的成分分界线，而是具有一定宽度成分比范围内的相重叠区，在此成分比的区段内，陶瓷体内各晶粒之间或在同一晶粒之内可以同时存在四方相和三方相，这表明在此状态下，四方相与三方相之间的自由能差很小。这种结构上的相并存，使陶瓷的电气物理性能在此处出现突跃现象如下图所示：,由于两相共存，且两相间的自由能相差小，转变激活能低，只要微弱的外电场诱导，即可发生相转变，使不同取向晶粒之间的自发极化轴尽可能地

15、调整统一的外场方向上来。所以其介电常数、几何形变及K值均出现极大值。随着自发极化的加强，电畴定向充分，畴壁转向过程的内磨擦加剧，使介电损耗增加，因而其品质因数下降。,从上面讨论可以知道，可采用调整Zr、Ti比的方法，以获得各种不同性能的PZT压电陶瓷。下图为不同Zr/Ti比的压电性能。,b) PZT的掺杂改性 和铁电陶瓷中的情况相似，在PZT中添加不同杂质，特别是用适当元素对A、B位元素进行取代，可人为按某特定方式改进所需陶瓷的压电性能，具体改性方法如下：,i)等价A位取代：常用元素有Sr2+、Ca2+、Mg2+。 由于其半径较Pb小，取代后的晶格常数会略有缩小。 用Sr取代Pb时，Tc下降，

16、常温介电常数增加，且烧成温度下降，烧成温区加宽，从而大大改善了其工艺性能。 用Ca取代Pb时，由于Ca较Sr更小，故其晶格畸变更显著。,用Sr、Ca取代Pb（Zr0.53Ti0.47）O3陶瓷的主要性能如下表,可以看出，适量Sr、Ca的掺入可使其介电、压电及机电耦系数增加，Tc下降。,若以Mg取代Pb，由于Mg离子半径更小，其固溶限更小，实际上Mg取代量一般不超过5mol%，过量的镁将以MgTiO3或其它化合物形式作为第二相物质于粒界分凝，冲淡陶瓷的铁电性与压电性。 少量Ca、Sr、Mg以碳酸盐或氧化物引入瓷料配方中，还可起到矿化剂作用，能够控制晶粒生长，形成细晶结构，提高瓷体致密度，同时提高

17、品质因数Qm。,ii) 高价缺位取代：用与Pb离子半径相近而价态为三价的离子如La、Nd、Sm进入A位，用与Zr、Ti离子半径相近的五价离子如Nb、Ta、Sb和六价的W进入B位。由于其电价较原晶格格点上离子价态高，再上Pb在高温烧结时易挥发，因而会产生A位离子空位，即Pb缺位。这会导致PZT陶瓷的压电特性产生一系列的变化。其突出表现是矫顽电场降低，我们将这种取代称为“软性”取代。,下面从两个方面分析其作用过程：应力缓冲效应：与固溶型铁电陶瓷中的展宽效应类似。A缺位出现，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，因而使电矩反转时所要克服的作用势垒降低，即畴夹持效应减小

18、，从而出现介电常数、损耗的增加、K值增加及品质因数下降。由于空间应力受到缓冲，当所施加的外电场除去后，剩余电矩能够迅速地稳定下来，因此有好的老化特性。,电荷补偿效应：在高温状态下，由于PbO的蒸气压高，挥发性大，会出现失铅，即形成非化学计量比的Pb缺位，这种缺位形成了两价的负电中心，易捕获空穴，形成受主能级，具有P型电导特性。 引入高价离子取代后，将带来过量电子，形成施主能级，因此适量高价取代离子的引入可以使Pb缺位时出现的电子不足得以补偿，而降低陶瓷的电导，使其绝缘电阻率增加。 高的体电阻有利于极化时采用较高电场强度，使机电耦合系数和压电系数有所提高，充分发挥材料的压电特性，而不致发生击穿。

19、,高价取代离子的引入还会使载流子密度下降，空间电荷密度下降，而不会在极化时产生空间电荷积聚形成内偏电场，因此使矫顽电场下降，从而使介电系数和机电耦合系数增加，品质因数下降，同时改善陶瓷的老化性能。,iii)低价等数离子取代：用K、Na等一价碱金属离子进入A位取代Pb，或用Fe、Co、Ni、Mn、Cr等二价或三价金属离子取代B位。这些低价离子的引入会使晶格格点上出现氧缺位，以使电荷得到平衡。由于低价离子的引入，使瓷体空间电荷密度（受束缚的）增大，这些空间电荷不参与电导，但在热和电场等作用下，可能在一定空间转移或积聚。 由于Pb缺位下降，缓冲作用被削弱，而空间电荷密度的增加，使反向偏置场建立，同时

20、晶格畸变，因此使电畴转向受到更大阻碍，因此材料的矫顽电场强度增加，介电系数、机电耦合系数变小，损耗下降，品质因数增加，即材料“变硬”。极化与去极化困难。,三、三元系压电陶瓷 1、三元系压电陶瓷的组成特性 三元系压电陶瓷是在PZT基础上再添加第三组分形成的复合钙钛矿结构。其组分可表示为(A,A)(B,B)O3. 三元系及更多元系固溶型压电陶瓷和PZT瓷相比，都具有工艺性能好，压电性能优异等特点。,由于多种氧化物的出现，使最低共熔点降低，从而降低烧成温度，使铅挥发显著减少，因此在多元系压电陶瓷中可较好地控制铅的含量。 由于第三相成分的出现，在一定条件下会出现多相共存，而使其压电性能得到改善。 2、

21、几种典型的三元系压电陶瓷（看书）,6.1.2 钨青铜型结构铁电压电材料 1949年马格尼里（Magneli）发现了KxWO3、NaxWO3化合物，它们具有“青铜”的金属光泽（赤褐色），称这类材料为钨青铜型结构化合物。 人们研究出了一系列的铁电体也是这种结构，故称这类铁电材料为钨青铜型结构铁电材料。其实，这类材料中不一定含有“钨”元素。钨青铜型结构铁电体，是仅次于钙钛矿型结构铁电材料的又一大类双氧化合物铁电体。,有偏铌酸铅（PbNb2O6）、偏钽酸铅（ PbTa2O6 ）等简单钨青铜型化合物。还有铌酸锶钡，铌酸钡钠，铌酸钡锂，铌酸钾锂等复杂钨青铜型结构化合物。 1、钨青铜型晶体的结构 钨青铜型晶

22、体的结构由氧八面体作“骨架”堆积而成的。一个四方晶胞由10个氧八面体通过它们的公共顶角连接而成。它有平行于C轴、贯穿整个结构、可供阳离子占据的填隙位置A1、A2和C。,A1位置处于平行于C轴的四方型棱柱空洞之中，每个A1位置周围有12个氧离子。A2位置处于平行于C轴的五边形棱柱空洞之中，每个A2位置周围有15个氧离子。C位置处于平行于C轴的三角形棱柱空洞之中，每个C位置周围有9个氧离子。,这三种位置的空隙以A2最大，A1次之，C最小。氧八面体中心又因所处的位置对称性不同，分为B1和B2两种。它们也填隙阳离子。B1位置处于两相邻晶胞间的四面体中心。B2位置是在A2位置周围。一个氧八面体的高度为四

23、方单胞在C轴方向的长度。,一个四方晶胞包含2个A1位置，4个A2位置，4个C位置和10个氧八面体。10个氧八面体有位于顶角上的30个氧离子，2个B1和8个B2体心位置。所以，每个四方晶体的结构填充公式为(A1)2(A2)4 (C)4(B1)2(B2)8O30或(A1)2(A2)4 (C)4B10O30 。 A位置不一定全部填充阳离子，故此结构填充式又可以写成AxB10O30。,钨青铜型结构中，A1、A2、C、B1和B2位置可以填满价数不同的阳离子，也可以部分地填充、部分地空着。B位置填充Nb5+的铁电化合物称为具有钨青铜型结构的铌酸盐铁电体。该类化合物除Nb5+填满氧八面体体心外，其他金属离子

24、则填充或部分填充在A1、A2和C位置上。金属离子的数目依电中性的要求而定。根据离子填充情况，钨青铜型结构铌酸盐铁电体可分成下列三种类型：,（1）完全填满型钨青铜型铌酸盐铁电体 该类铁电体的四方单胞中A1、A2和C位置，全部被阳离子填充。如:K6Li4Nb10O30,K填充于A1、A2位置上，Li填充于C位置。（2）填满型钨青铜型铌酸盐铁电体 该类铁电体的四方单胞中A1、A2均被阳离子填充，而C位置空着。如：Pb4K2Nb10O30,Pb和K分别填充于A1、A2上，而C位空。 （3）非填满型钨青铜型铌酸盐铁电体 该类铁电体的四方单胞中C位置也空着，而6个A位置仅部分填充阳离子，部分空着。如：Pb

25、Nb2O6。,填满型和完全填满型钨青铜型结构铁电体没有光损伤，具有优良的光电性能和光学稳定性。为了得到填满型或完全填满型结构材料，在制备材料过程中，往往采用低价阳离子取代部分高价阳离子的方法来增加阳离子的数目，使空隙填满或者完全填满。通常用一价的KNaLi取代二价阳离子，用四价阳离子取代Nb离子。 具有钨青铜型结构的铁电体，当温度降低到Tc以下时，处于A1、A2、B1、B2、C位置的所有金属离子，相对于附近阳离子平面发生位移，从而产生自发极化。一般自发极化方向沿C轴方向。,常见的系列：1、偏铌酸铅晶体 PbNb2O6属于未填满型钨青铜型结构铁电体。单位晶体含5个PbNb2O6分子，可以写成Pb

26、5Nb10O30的形式。5个Pb随机地分布在6个A位置上，10个Nb填满10个B位置。特点：偏铌酸铅（PbNb2O6）单晶体熔点为1343，密度为6.6103Kg/m3，呈现淡黄色或黄绿色。压电性能好，Tc高Tc=560。温度在Tc以上的晶体属四方晶系4mm点群，为顺电相。温度在Tc以下的晶体属正交晶系mm2点群，为铁电相。 在Tc附近无退极化，对超声有高的响应，是良好的超声缺陷检测换能器材料。,晶体的晶胞随着温度的升高，晶胞参数a、c轴伸长，b轴缩短；晶胞参数在Tc发生突变。自发极化方向垂直于c轴，在（001）平面内。峰达103 PbNb2O6陶瓷制作工艺较容易。制备该陶瓷材料比制备PZT陶

27、瓷优越之处，是烧结时由于Nb2O5的存在大大降低了PbO的饱和蒸汽压。在正常烧结时，产品失铅很少。在刚低于熔点温度烧结的陶瓷材料，重量损失小于1。,2、铌酸锶钡晶体 铌酸锶钡SrxBa1-xNb2O6简写成SBN,是SrNb2O6 和BaNb2O6的固溶体，其固溶范围较宽，x可在0.250.75之间变化。调节组分，可以制备出不同性能的SBN晶体。 SBN单晶的铁电居里温度Tc随BaNb2O6含量的增多而线性升高。TTc时，晶体属四方晶系，为顺电相。在此温度范围，由于晶体结构时无中心对称的，所以有压电性。当时TTc 时，晶体属四方晶系，为复合钨青铜型结构铁电体。,SBN晶体具有良好的光学性能和电

28、光性能。 其线性电光系数大，有效线性电光系数为铌酸锂晶体的10100倍。所以SBN晶体是一种良好的光电材料。利用其线性电光效应，可以作成电光调制器等器件。 SBN单晶具有显著的热释电效应。通过调整组分可以调整热释电系数p和居里温度。由于SBN的大，作成的探测器灵敏元电容大，不利于高频、大面积情况下使用。因此，SBN晶体是用于低频的小面积热释电红外探测器的优良材料。,在SBN中掺入少量Pb或La、Nd和Sm等元素能改善其热释电性能。 SBN单晶的制备:用提拉法沿籽晶【001】方向生长。熔体盛在高频感应加热的铂金坩锅中，在大气气氛条件下生长。原材料采用高纯度的。 SBN晶体生长中，存在开裂、产生条

29、纹和出现折射率不均匀等问题。研究表明，含Ba量较高的晶体容易开裂。而加入少量La2O3或稍多的Nb2O5的熔体对克服晶体开裂有显著作用。,3 铌酸钡钠晶体 铌酸钡钠（简称BNN）为一致熔融化合物，其熔点为1437。 BNN为填满型钨青铜型结构铌酸盐铁电体。每个晶胞中包含2个BNN分子。其晶胞中，2个A1位置被2Na个填满，4个A2位置被4个Ba填满，10个氧八面体体心被10个Nb填满，C位置空着。 BNN居里温度为560。当温度高于Tc时，晶体属四方晶系4/mmm点群，无铁电性，也无压电性；当温度低于Tc时，属铁电相。,主要特点： BNN晶体在a轴方向的介电系数随温度升高稍有变化；而沿c轴方向

30、的介电系数随温度升高增加很快。 BNN是无色或微带黄色的透明晶体。正交铁电相单晶是负双轴晶体。BNN单晶体在100时，能实现最优相位匹配，可将近红外光以100的效率转换为的绿光，且无光损伤。BNN晶体对Nd:YAG激光器的二次谐波具有很高的倍频效率，是目前得到的最好倍频晶体材料，也是激光倍频器、连续参量振荡器的优良材料。,6.3 压电陶瓷振子 压电陶瓷是谐振体，当它被用作压电元件时，就称为压电振子或压电陶瓷振子。利用谐振特性，可作成许多器件，如滤波器、压电陶瓷变压器等等。 下面先给大家表征压电陶瓷振子的主要性能参数。,6.3.1 压电陶瓷振子性能参数 压电材料的性能参数，包括：,机电耦合系数是

31、反映压电陶瓷机械能与电能之间转换关系的参数。定义为：机电互作用能密度（也称压电能密度）与弹性能密度和介电能密度的几何平均值之比。,机电耦合系数不仅与压电材料的性能有关，而且也与压电振子的几何形状、振动模式有关，所以不同形状和振动模式的振子所对应的机电耦合系数是不同的。,机械品质因数是表示压电陶瓷振子谐振时机械损耗的大小，是衡量压电陶瓷材料性能的重要参数之一,频率常数N：压电陶瓷振子的谐振频率与沿振动方向的尺寸之乘积为常数，此常数称为频率常数。频率常数仅与材料的性质和振动模式有关。,静电容C0静电容主要反映压电材料介电系数的大小。,静电容C0的大小，不仅与压电陶瓷材料的性能有关，而且还与振子的几

32、何尺寸有关。在滤波器设计中，它直接影响滤波器阻抗水平。,相对带宽 压电振子的相对带宽是并联谐振频率与串联谐振频率之差除以串联谐振频率。即 它的大小与材料的配方、制造工艺及振动模式等有关。,介质损耗和电学品质因数 压电陶瓷在交变电场下，由发热而导致的能量损耗称为介质损耗。介质损耗由极化损耗和介质不均匀损耗等组成。 介质损耗一般用损耗角来表示，有两种等效电路和计算方法：,串连等效电路并联等效电路,（1）串连等效电路 为交变电场的角频率；Cs、r分别为串联等效电路的静电容和损耗电阻。,（2）并联等效电路 Cp和R分别为并联等效电路的静电容和损耗电阻。 介质损耗角正切的倒数1/tan称为电学品质因数Q

33、e,6.3.2 压电振子的振动模式 压电陶瓷振子的应用范围很广，其中压电陶瓷变压器、压电陶瓷滤波器等都是由压电振子按一定方式处理或组合得到的，器件的参数很大程度取决于压电振子的振动模式。,振子的振动模式分为： 伸缩振动： 弯曲振动： 切变振动：,伸缩振动模式,压电陶瓷振子常用的伸缩振动模式又分为长度方向的伸缩振动模式、径向方向的振动模式和厚度方向的振动模式。一薄长片长度伸缩振动模式 所谓薄长片就是指陶瓷片的长度l远大于宽度w和厚度t，且宽度w远大于厚度t。,陶瓷片的两端处于机械自由振动状态。在外加交变电场作用下，薄长片产生沿长度方向的伸缩振动。由于振动时，片内各点的振动方向与传播方向一致，因此

34、振动波是纵波，而且片子中心点的振幅为零，两端的振幅最大。片子的整个长度，只容纳基波和半波长。基波谐振频率为： 或,注意：薄长片除长度方向的伸缩振动外，也存在厚度和宽度方向的伸缩振动。只不过在宽度和厚度方向的振动比长度方向的振动小得多，这两个方向的振动对长度方向振动的影响可以忽略而已。,二薄圆片的径向振动模式 薄圆片就是直径D远大于厚度t的圆片。沿圆片的直径方向作伸缩振动称为径向振动模式。,极化方向与厚度方向平行，振动方向与圆片半径方向平行，振动方向与波的传播方向一致，振动波是纵波。圆片中心的振幅为零，是波的节点，波阵面是圆柱面。,基波谐振频率为：,D-圆片直径，-泊松比，B-贝塞尔函数的根，与

35、泊松比有关 -陶瓷密度=0.27 0.30 0.36B=2.03 2.05 2.08,或,若圆片采用环电极进行分割，将出现高次泛音振动，其振动频率比全电极的高出2.8倍左右。利用这种泛音振动模的压电陶瓷振子，能装出更高频率的滤波器来。,电极分割线,环电极,分割电极 环电极,三圆片的厚度伸缩振动模式 圆片厚度伸缩振动模式的振子，其形状和极化，激励电场的方向均与圆片径向振动模式的振子相同，因为振子可以做得很薄，所以利用厚度伸缩振动模式可以得到较高频率，这种振动模式的基波谐振频率fr与圆片厚度成反比，即：,这种振动模式要求片子的直径D与厚度t之比 这种振动模式适用的频率范围为310MHz，相对带宽在

36、 14之内。,一长条厚度弯曲振动模式 如果将两个厚度相同，上有电极并经过极化的长条陶瓷片粘在一起，当外加激励电场能使其中一片伸长，另一片缩短时，就能产生弯曲振动。 对极化方向相反粘合的片子，以串联方式接入电源，对极化方向相同粘合的片子，以并联方式接入电源。,弯曲振动模式,当外加电压的上电极为正、下电极为负时，上片的外加电场与极化方向相反，片子伸长，下片极化方向与外加电场方向相同，片子缩短，产生凸形弯曲；反之则产生凹形弯曲。当外加交变电场时，就产生了弯曲振动。,弯曲振动时，上部分要伸长（缩短），下部分要缩短（伸长），中间一定存在一个既不伸长也不缩短的面。对于厚度相同的片子粘合，这个面就是粘合面。

37、在不伸长不缩短的粘合面上有a，b两个点在振动时始终保持不动，这两点称为节点。,a,b,两个粘合片中，电场只激励其中一片也能产生弯曲振动。同样，如果将两个压电陶瓷片粘合在一薄金属片上，或用一陶瓷片与一薄金属片粘合在一起，也能产生弯曲振动。,厚度弯曲振动模式的谐振频率与片子长度及粘合片子总厚度的关系为：,这里： 为频率常数， 为与波数有关的系数，y为杨氏模量，为陶瓷密度。 长条厚度弯曲振动的相对带宽为：0.253%，适用频率范围：500Hz20kHz，这类振子的尺寸一般为：l=(610)w,w3.5t,二、长条宽度弯曲振动模式 采用分割电极的方法，可使单一陶瓷片产生宽度方向的弯曲振动（或称棱变弯曲

38、振动模式），沿长条陶瓷片的两面电极的中线，将电极分割成两部分，这样就相当于两个陶瓷片粘合在一起。若在被分割的两对电极上加上交变电场，就能产生沿宽度方向的弯曲振动。,长条宽度弯曲振动模式的谐振频率式中，w为陶瓷片的宽度；l为陶瓷片的长度；y为杨式模量；k为波数；为陶瓷的密度。,由于是将一个陶瓷片的面电极分割成两对电极，因此使其产生弯曲振动的激励方式有两种：,三、圆片厚度弯曲振动模式 若将两个圆片径向振动模式的片子粘结在一起，并用长条片一样的方式极化和激励，就得到圆片厚度弯曲振动。这种弯曲振动的谐振频率为,四、开槽环张闭振动模式,为无应力时的直径。,实际上这也是一种弯曲振动模式。这种振动模式的谐振

39、频率为,U型振子,S型振子,激励方法,改变振子的直径和宽度，即可调整频率。,厚度切变振动模式,厚度切变振动模式的特点是电极面与极化方向平行。在交变电场作用下，陶瓷片产生厚度切变振动。这种振动就是压电体上平行于极化方向的两个相对表面产生沿长度和厚度方向的相对滑动形变。其质点位移沿长度和厚度方向，而波则沿厚度方向传播。,厚度切变振动模式的谐振频率为,频率常数；t为厚度；n为正奇整数1，3，5,能陷振动模式,当陶瓷片的电极面积相对于陶瓷片的面积很小时，适当的电极面积及其金属质量负荷就可以产生所谓的能陷现象。,能陷发生以后，激发能量被局限在点电极之下，并向四周成指数衰减。这时点电极区域和附近边缘形成一

40、个独立的振动系统。 能陷振动实际上是一种厚度伸缩振动。由于这种振子的电极很小，所以又称为点振子或点电极振子。这种振子的基波谐振频率为,常用振动模式及相关特性,压电陶瓷振子不管从机械的观点还是从电的观点来看都会发生谐振，并且有一系列的谐振频率。我们把低频端第一次出现的谐振频率称为基波频率（简称基波），以后出现的谐振频率称为泛音频率（简称泛音）。 压电振子等效阻抗随频率的变化规律如下：,6.3.3 压电陶瓷振子的谐振特性,在讨论压电陶瓷振子的谐振特性时，通常要遇到三对频率：,谐振频率,反谐振频率,最小阻抗频率,最大阻抗频率,串连谐振频率,并联谐振频率,按等效电路，可得到阻抗为：,电抗分量为：,其中

41、电阻分量为：,1) 等效电路中R=0时的情况，有,一、 振子的相关频率计算,可以算出最小阻抗频率和最大阻抗频率,得最小阻抗频率为：,得最大阻抗频率为：,最小阻抗频率和最大阻抗频率,串连谐振频率和并联谐振频率,根据定义：在 时的频率为串联谐振频率,在 时的频率为并联谐振频率,谐振频率和反谐振频率,在等效电路中，若等效阻抗为纯电阻性，即电抗 ，则电路会产生谐振,满足 时有两个频率：,低端的频率，定义为谐振频率高端的频率，定义为反谐振频率,可以看出，当R=0时，,R=0时，谐振子的机械损耗为0，因此,在这六个频率中， 可通过传输线路法直接测出，而 却无法直接测量，可通过计算得到,而等效电路中的L、C

42、1、C0 可按以下方法确定,C0 为静态电容，可直接用电容电桥测出其近似值，L、C1为动态电感和动态电容，可通过串联谐振频率和并联谐振频率求得，即：,由于振子机械损耗不为零，因此最大（小）阻抗频率、串（并）联谐振频率及谐振（反谐振）频率都不相等，可得到最小阻抗（最大导纳）频率和最大阻抗（最小导纳）频率，表达式分别为：,估计一下各频率之间的偏差：,偏差较小,二、机械品质因数Qm 根据有机械损耗无介质损耗压电振子等效电路，可求机械品质因数Qm,图中RLC串联支路为机械谐振电路的类比电路，机械能贮存在等效电路的LC中，消耗在等效电路的R上。,定义:机械品质因数Qm是指谐振时压电振子内贮存的电能Ee与

43、谐振时每个周期内振子消耗的机械能Em之比，即：,设流过RLC串联支路的电流为I，电容C上的电压为Uc，Uc落后于I，相差为/2，有,串联谐振时，,电容和电感上贮存的能量为：,电阻上消耗的能量为：,又因为是在串联条件下，所以：,于是有：,已知RLC串联支路与C0关联，并联谐振的角频率以 表示，则有：,对于窄带振子，,三、振子的等效阻抗 根据有机械损耗无介质损耗压电振子等效电路，可求振子的等效阻抗。前面推出：,由此可求出陶瓷振子在谐振频率和反谐振频率附近的阻抗。令 时的阻抗为,0 fr fa f,时的阻抗为,可得：,振子的谐振曲线为,6.4 压电陶瓷应用,压电陶瓷的应用十分广泛，主要应用领域如下：

44、,高电压发生装置电声设备计测仪器水声设备超声仪器滤波器声表面波器件,6.4.1 压电陶瓷变压器,传统电磁变压器是由铁芯及围绕铁芯的线圈组成，初级和次级线圈通过磁芯实现电磁耦合。存在的问题：1）很难实现高效小型化,已成为电子器件小型化的最大障碍之一2）电磁变压器固有的漏磁现象及电磁辐射等对环境会造成一定污染,不利于工业化应用.,导体趋肤效应损失、细导线的传导损失以及磁性材料中的弛豫损耗随着变压器的尺寸减小而迅速增大等,压电陶瓷变压器基本上是由两个机械部分相互耦合而电路部分相互绝缘的压电陶瓷共振器或压电陶瓷换能器及压电陶瓷致动器组成。它是一种新型的电压或电流变换器件,工作原理与传统电磁变压器不同，

45、在压电陶瓷变压器中,初级与次级之间的耦合不是通过传统的电磁效应,而是借助于机械耦合以及压电材料的压电效应来实现的.,(1) 压电陶瓷变压器的种类 压电陶瓷变压器实际是一种压电陶瓷振子，前面已介绍压电振子的振动模式分为伸缩振动、弯曲振动和剪切振动三大类，压电陶瓷变压器可以其中任一种振动形式进行工作，因此压电陶瓷变压器的种类很多，常见的基本结构类型有:,长度伸缩振动模式压电陶瓷变压器（Rosen型）,由一个产生横向振动模式的压电陶瓷薄长条和一个纵向振动模式的压电陶瓷细长条组成,其几何示意图如图1所示.,当在压电陶瓷变压器的初级端加上一定频率和一定幅度的交变电压时,由于压电陶瓷材料的逆压电效应,在其

46、输入端部分产生长度伸缩振动,振动方向垂直于极化方向，这个振动模式传输到变压器次级，在次级借助压电陶瓷材料的正压电效应,在其两端产生一交变电压,交变电压的大小取决于压电变压器各部分的几何尺寸、振动模式以及变压器的材料特性. 一般情况下, Rosen型压电陶瓷变压器的纵向长度远大于其厚度 ,因而其输出电压远大于输入电压 ,即是一种升压型压电陶瓷变压器.,厚度振动模式压电陶瓷变压器 压电陶瓷的极化方向和振动方向都沿着其厚度方向,因此 ,厚度振动模式压电陶瓷变压器的输入和输出部分压电陶瓷共振器都是纵向振动模式,厚度振动模式压电陶瓷变压器属于低电压变压器,电压增益较小,径向振动模式压电陶瓷变压器 由两片

47、或多片厚度方向极化的压电陶瓷圆片组成. 因此,尽管其极化和激励方向与厚度模式压电陶瓷变压器的极化和激励方向相同,但径向模式压电陶瓷变压器的振动方向与厚度模式压电变压器不同,振动方向沿着圆片的半径方向.,由于振动方向垂直于极化方向,因而径向模式压电陶瓷变压器属于横向振动模式变压器.电压变换范围介于Rosen型压电变压器和厚度模式压电变压器之间.,工作于三阶振动模式的Rosen型压电变压器,变压器的输入端是由两块材料及尺寸完全相同的横向振动模式的压电陶瓷细长条组成,输出端位于两块输入压电陶瓷中间,输出电极位于变压器几何中心.,通过选择变压器输入和输出部分的材料和几何尺寸,使变压器的三个组成部分分别

48、谐振于半波长共振状态,因而几何中心正好为位移节点,输出连接线不影响变压器的振动状态。处于三阶振动模式的Rosen型压电陶瓷变压器的输出阻抗仅为传统的一阶振动模式压电陶瓷变压器的四分之一,因而可以输出更高的电功率.,大功率多层压电陶瓷变压器 为了实现压电陶瓷变压器的小型化及大功率,除了开发以及采用大功率压电陶瓷材料以外, 日本专家开发了一种大功率多层压电陶瓷变压器。,它实际上是由多个Rosen 型压电陶瓷变压器叠加而成，在初级端即输入端,压电陶瓷沿着厚度方向极化，在次级端即输出端,压电陶瓷沿着长度方向极化。多层压电陶瓷变压器一个突出特点是：当压电陶瓷变压器的厚度一定时,其升压比与变压器的层数成正

49、比，而且此类变压器易制成平板状,尤其适合于超薄型电源的表面组装要求.,圆板型单一极化方向压电陶瓷变压器 前面提到的所有压电陶瓷变压器,基本上都由输入和输出两部分组成,输入和输出部分压电陶瓷材料的极化方向都不相同，即便是相同的极化方向,其输入和输出部分也是分别进行极化的，对于极化方向不同的压电陶瓷变压器,在输入和输出部分的交汇处,由于极化方向的不同,应力集中,影响到压电变压器的性能。,为了避免这一问题，提高压电陶瓷变压器的功率容量,人们提出了单一极化方向圆板型压电陶瓷变压器。,(2) 压电陶瓷变压器的工作原理,左半部分上下两面敷设银电极，沿厚度方向进行极化。当加上交变电场时，瓷片产生振动，这一部

50、分为驱动部分。右半部分的端面敷设银电极，并沿长度方向极化，这部分将机械能转化成电能，称为发电部分。,rose型压电陶瓷变压器的基本结构,利用压电陶瓷的电能机械能电能的二次变换，在谐振频率上获得最高升压输出。具体工作原理：当把一定频率的交变电场加在驱动部分时，由逆压电效应产生机械形变，由此引起机械谐振，并沿瓷片的长度方向传播。这种机械谐振，又通过正压电效应，使瓷片的发电部分端面聚集大量束缚电荷；束缚电荷越多，吸引的空间电荷越多，从而在发电部分的端部电极上获得相当高的输出电压。,等效电路图,、是代表理想变压器的输入端、输出端的变压比，由压电常数和几何形状决定。C01、C02分别表示远低于变压器的谐