压电陶瓷的性能参数解析.pdf

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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）   介电常数   介电常数是反映材料的介电性质，或极化性

2、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/εo                          

3、   (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ε=ε≠ε                           （1-3）112233   即经过极化后的压电陶瓷具有两个介电常数ε和ε。113

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εT，εT，εS，εS。11331111   （2）   介质损耗   介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何

5、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，I大时，tanδR也大；I小时tanδ也小。通常用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R质损耗。   处于静电场中的介质损耗来源于介

6、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   S=sT                                         (1-5)   T=cS                      

7、                   (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S，而在方向2上产生应变S，由（1-5）式不12难得出S=ST                              (1-7)1111   S=ST                               (1

8、-8)2121   上面两式弹性顺度常数S和S之比，称为迫松比，即1112