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《压电陶瓷机械品质因数Q_m及其温度稳定性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第25卷第1期湖北大学学报(自然科学版)Vol.25No.12003年3月JournalofHubeiUniversity(NaturalScienceEdition)Mar.,2003文章编号:100022375(2003)0120049204压电陶瓷机械品质因数Qm及其温度稳定性马海峰,周桃生(湖北大学物理学与电子技术学院,湖北武汉430062)摘要:综述了压电陶瓷材料机械品质因数Qm产生的本质与表征,探讨了影响Qm值大小与温度稳定性的因素,提出了调整Qm值大小及改善其温度稳定性的措施.关键词:压电陶瓷材料;机械品质因数Qm;温度稳定性中图分类号:TM282文献标识码:A1
2、引言压电陶瓷在电子材料领域已占据着相当大的比重,并获得了广泛的应用.对于压电陶瓷不同的应用领域,其压电参数的要求也有所不同.例如在功率型换能器—升压变压器上,器件的升压比正比于材料的机械品质因数Qm值,采用高Qm值的压电材料,升压比高,工作效率得到提高,但是在低温区内,Qm值极易恶化,导致升压比下降,变压器的工作效率降低,影响了性能的稳定性.具有较大的Qm值及其温度稳定性能良好的压电陶瓷材料在功率型换能器的应用中,能够稳定器件性能,提高工作效率,扩宽工作范围.在另一方面,如果希望增加带宽,则又要求Qm值低些好.因此,认识Qm的物理本质,进一步探讨影响Qm温度稳定性与大小的因素,
3、既可以在实践中调整压电材料Qm值的大小,又可以改善其温度[1～6]的稳定性,从而满足对压电器件不同的需求,扩大其应用范围.2Qm产生的本质与表征[7]机械品质因数Qm值表征压电体在谐振时因克服内摩擦而消耗的能量.它定义为:谐振时振子储存的机械能量Qm=2π,谐振每周振子机械损耗的能量由此可知,机械品质因数Qm值反映压电材料的机械损耗的大小,机械损耗越小,Qm值越大.在实际计算材料的Qm值时,对于压电振子的等效电路图,采用下面近似公式:Qm=1/4π(C0+C1)R1Δf,式中C0为压电振子的静态电容,R1为振子谐振时的等效电阻,C1为振子的动态电容,Δf是振子的谐振频率fr与反
4、谐振频率fa之差.一般采用传输线路法,测得Δf、R1等,然后计算Qm值.[8]Yamauchi与Takahashi从热力学自由能函数出发,探讨了Qm值的物理来源,推导出公式:T2-1πε0ε33g31Qm=PT2tgδ,S11+πε0ε33g31-1并从实验上验证了Qm值正比于介电损耗.另外,在实验的基础上,Sadayki等人将Qm值定量地表示为[9]空间电荷量与体电阻率的函数,得出经验公式:Qm=(800lgρ-7500){(Ps-Pi)/Ps-0.2}+250,式中ρ是材料的体电阻率,Ps为饱和极化值,Pi是在刚加上交流电场后获得的电滞回线上所确定的极收稿日期:200221
5、1214基金项目:湖北省教育厅重大科技项目(2000Z2012011)作者简介:马海峰(19772),女,硕士生50湖北大学学报(自然科学版)第25卷9化值,(Ps-Pi)/Ps为折合空间电荷量.在(Ps-Pi)/Ps≥0.2,ρ≥10Ω·cm时与实验结果符合较好.无论从理论上,还是实验上,前人对Qm的本质与表征均进行了深入的探讨.这有助于我们对Qm值的大小及其温度稳定性作进一步的研究.3影响Qm值的大小与温度稳定性的因素3.1畴壁运动在Pb(Zr0.52Ti0.48)O3压电陶瓷组成中,添加物为La2O3、Nb2O5、ThO2和WO3等氧化物则[9]2+4+4+使Qm值降低.
6、为了解释Qm的降低,Gerson提出了下述机理:当用比Pb或Ti、Zr化合价高的金3+5+6+2+4+4+属离子如La、Nb、W等部分置换PZT陶瓷中的Pb、Ti、Zr后,为了保持晶格的电中性,陶瓷中产生Pb空位,这些Pb缺位降低了阻碍电畴转动的内应力,因此畴壁变得易于活动,内摩擦增加,介质损耗增大,Qm值降低.Gerson认为畴壁的运动引起Qm值的降低.另外,由Yamauchi与Takahashi推导的公-1式得知Qm值正比于介电损耗.而介电损耗的原因之一是在交流电场的作用下,畴壁振动滞后引起能量的消耗而造成的.因此畴壁振动的滞后引起了介质的损耗,造成了Qm值下降.从而,在低
7、Qm的掺杂改性的压电陶瓷材料中,畴壁运动的难易直接对应着Qm值的高低.2+4+4+++3+3+3.2空间电荷当用比Pb或Ti、Zr化合价低的金属离子如K、Na、Cr、Fe等部分置换PZT2+4+4+陶瓷中的Pb、Ti、Zr后,Qm值显著增大,这可从空间电荷对电畴的作用来进行解释.纯的PZT压电陶瓷由于铅缺位而呈现出空穴型导电,而正低价金属离子添加物又在体内起受主作用,因此,正低价金属离子的加入使陶瓷体内负电中心和载流子空穴大为增加,即产生大量的空间电荷.为了消除畴壁不连续的变化所产生的电场,
