压电陶瓷性能参数解析

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1、压电陶瓷的性能参数解析   制造优良的压电陶瓷元器件，通常要对压电陶瓷性能提出明确的要求。因为压电陶瓷性能对元器件的质量有决定性的影响。因此，要讨论和认识压电陶瓷的元器件，就必须首先要了解压电陶瓷的性能参数与量度方法。   压电陶瓷除了具有一般介质材料所具有的介电性和弹性性能外，还具有压电性能。压电陶瓷经过极化处理之后，就具有了各向异性，每项性能参数在不同方向上所表现的数值不同，这就使得压电陶瓷的性能参数比一般各向同性的介质陶瓷多得多。压电陶瓷的众多的性能参数是它被广泛应用的重要基础。   （1）   

2、介电常数   介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。   介电常数ε与元件的电容C，电极面积A和电极间距离t之间的关系为   ε=C·t/A(1-1)   式中，各参数的单位为：电容量C为F，电极面积A为m2，电极间距t为m，介电常数ε为F/m。   有时使用相对介电常数εr（或κ），它与绝对介电常数ε之间的关系为   εr=ε/

3、εo(1-2)   式中，εo为真空（或自由空间）的介电常数，εo=8.85×10-12（F/m），而εr则无单位，是一个数值。   压电陶瓷极化处理之前是各向同性的多晶体，这是沿1(x)、2(y)、3(z)方向的介电常数是相同的，即只有一个介电常数。经过极化处理以后，由于沿极化方向产生了剩余极化而成为各向异性的多晶体。此时，沿极化方向的介电性质就与其他两个方向的介电性质不同。设陶瓷的极化方向沿3方向，则有关系   ε11=ε22≠ε33（1-3）   即经过极化后的压电陶瓷具有两个介电常数ε11和ε3

4、3。   由于压电陶瓷存在压电效应，因此样品处于不同的机械条件下，其所测得的介电常数也不相同。在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。   根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。   （2

5、）   介质损耗   介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为             (1-4)式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，IR大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。通常用

6、tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。   处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。   （3）   弹性常数   压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系

7、   S=sT(1-5)   T=cS(1-6)   式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。   但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。设有如图1-2所示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变S1，而在方向2上产生应变S2，由（1-5）式不难得出S1=S11T1(1-7)   S2=S12T1(1-8)   上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比

8、，即                                (1-9)它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。   同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。极化过的压电陶瓷，其独立的弹性顺度常数只有5个，即S11，S12，S13，S33和S44。   独立的弹性劲度常数也只有5个，即C11，C12，C13，C33和C44.   由于压电陶瓷存在压电效应，因此压电陶瓷样品在不同的电学条件下具有不同的弹