压电陶瓷的物理性能与压电方程

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1、水声工程学院换能器研究室主讲教师：蓝宇第一章压电陶瓷的物理性能与压电方程换能器技术课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；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。一、压电陶瓷的产生与发

2、展二、压电陶瓷的分类优点：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，强电场下介电损耗大，老化率较大1．钛酸钡BaTiO32．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◎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。◎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

3、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。锆钛酸铅压电陶瓷分类：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第一节结束老化：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«抗压强度高静压力对材料性能的影响四、压电陶瓷的性能第二节压电陶瓷的内部结构晶态固体

4、（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；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

5、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。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。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。一、晶体的内部结构a＝b＝cα=β=γ=90°立方晶

6、胞，构成的晶体称为立方晶系a≠b≠cα=β=γ=90°四角晶胞，构成的晶体称为四角晶系a＝b＝cα,β,γ≠90°菱方晶胞，构成的晶体称为三角晶系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,

7、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ABO3t＞Tc(居里温度)，立方晶胞中正负离子的对称中心重合，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与矢径的乘积。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。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

8、化强度：单位体积内电矩的矢量和。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。习题压电陶瓷PZT的优点、分类？晶胞常数有哪些？钙钛矿结构特点与各离子在晶胞中的位置