壓電陶瓷參數(shù)整理

1、壓電材料的主要性能參數(shù) （ 1） 介電常數(shù) ? 介電常數(shù)是反映材料的介電性質(zhì)，或極化性質(zhì)的，通常用 來表示。不同用途的壓電陶瓷元器件對(duì)壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如，壓電陶 瓷揚(yáng)聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大，而高頻壓電陶瓷元器件則 要求材料的介電常數(shù)要小。?介電常數(shù) 與元件的電容 C，電極面積 A 和電極間距離 t 之間的關(guān)系為 ?=C t/A式中 C電容器電容； A電容器極板面積；t 電容器電極間距 越大，電容 C 也就越 應(yīng)大當(dāng)電容器極板距離和面積一定時(shí)，介電常數(shù) 大，即電容器所存儲(chǔ)電量就越多。由于所需的檢測(cè)頻率較低，所以 一些。因?yàn)?大， C 就相應(yīng)大，電容器充放電時(shí)間長(zhǎng)，頻率

2、就相應(yīng)低。（2） 壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)表示在壓電晶體上施加單位電壓時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大?。篸31VtVUt(m/V)式中 U 施加在壓電晶片兩面的壓電； t 晶片在厚度方向的變形。壓電應(yīng)變常數(shù) d33 是衡量壓電晶體材料發(fā)射性能的重要參數(shù)。其值大，發(fā) 射性能好，發(fā)射靈敏度越高。3）壓電電壓常數(shù) g33壓電電壓常數(shù)表示作用在壓電晶體上單位應(yīng)力所產(chǎn)生的壓電梯度大?。篻31 UP(V ?m/N)P式中 P 施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力；UP UP =U/t 。晶片表面產(chǎn)生的電壓梯度，即電壓 U與晶片厚度 t 之比，壓電電壓常數(shù) g33 是衡量壓電晶體材料接收性能的重要參數(shù)。其值大，接 收性能好，接收靈敏

3、度高。（ 4 ）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)?機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也是衡量壓電陶瓷的一個(gè)重要參數(shù)。它表示在振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí) 材料內(nèi)部能量消耗的程度。產(chǎn)生損耗的原因在于內(nèi)摩擦。E儲(chǔ) mE損m值對(duì)分辨力有較大的影響。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小，晶片持續(xù)振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，脈沖寬度大，分辨率低。5）頻率常數(shù)由駐波理論可知，壓電晶片在高頻電脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生共振的條件是式中 tf0tL2晶片厚度；CL2f0L 晶片中縱波波長(zhǎng)；晶片固有頻率。CL晶片中縱波的波速；則：Nt tf0 C2L這說明壓電片的厚度與固有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做頻率常 數(shù)。因此，同樣的材料，制作高頻探頭時(shí)，晶片厚度較?。恢谱鞯皖l探頭時(shí)， 晶片厚度較大。（

4、6 ）機(jī)電耦合系數(shù) K?機(jī)電耦合系數(shù) K 是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機(jī) 械能與電能之間的耦合效應(yīng)。機(jī)電耦合系數(shù)可定義為轉(zhuǎn)換的能量KK 輸入的能力探頭晶片振動(dòng)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生厚度方向和徑向兩個(gè)方向的伸縮變形，因 此機(jī)電耦合系數(shù)分為厚度方向 K t和和徑向 Kp。 K t大，檢測(cè)靈敏度高； Kp 大，低頻諧振波增多，發(fā)射脈沖變寬，導(dǎo)致分辨率降低，盲區(qū)增大。7）居里溫度 TC壓電材料與磁性材料一樣，其壓電效應(yīng)與溫度有關(guān)。它只能在一定的溫度 范圍內(nèi)產(chǎn)生，超過一定溫度，壓電效應(yīng)就會(huì)消失。使壓電材料的壓電效應(yīng)消失 的溫度稱為壓電材料的居里溫度，用 TC 表示。探頭對(duì)晶片的一般要求：1） 機(jī)

5、電耦合系數(shù) K 較大，以便獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。機(jī)械品質(zhì)因子 m 較小，以便獲得較高的分辨率和較小的盲區(qū)。3)4)壓電應(yīng)變常數(shù) d31 和壓電電壓常數(shù) g31較大，以便獲得較高的發(fā)射靈敏度 和接收靈敏度。頻率常數(shù) Nt較小， 介電常數(shù) 較大，以便獲得較低的頻率。居里溫度 TC 較高，聲阻抗適中。幾種主要的壓電陶瓷材料 1 鈦酸鋇壓電陶瓷( BaTiO 3 )鈦酸鋇是最先制成并得到廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷，其機(jī)電耦合系數(shù)很高。和其 他壓電陶瓷比起來，它居里點(diǎn)較低，其機(jī)電性能在常溫范圍內(nèi)很不穩(wěn)定，并具 有很大的老化率。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，介電損耗也比較大。為了改進(jìn)鈦酸鋇性 能，采用離子替換和添加少量添加物的方

6、法，這樣提高壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和 介電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性。2 鋯鈦酸鉛壓電壓電陶瓷 (PZT)鋯鈦酸鉛壓電壓電陶瓷的居里點(diǎn)比鈦酸鋇高的多，在較大的溫度范圍內(nèi)性 能比較穩(wěn)定，作為換能材料，它的壓電效應(yīng)顯著。且可以通過變更其化學(xué)組成 大幅度調(diào)整其化學(xué)性能。鋯鈦酸鉛種類繁多，各具特點(diǎn)。 PZT-4(發(fā)射型)具有低機(jī)械損耗和介電損 耗、大的交流退極化場(chǎng)，并具有較大的介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)， 特別適合于強(qiáng)電場(chǎng)、大機(jī)械振幅的激勵(lì)。 PZT-5(接收型)具有高機(jī)電耦合系 數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，各機(jī)電參數(shù)具有優(yōu)異的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn) 定性，對(duì)低功率共振和非共振適用。 PZT-8具有比 PZT-

7、4 更低的機(jī)械損耗和介 電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)，但抗張強(qiáng)度和穩(wěn)定性優(yōu)于 PZT-4，更適用于高機(jī)械振 幅的激勵(lì)。3 偏鈮酸鉛壓電陶瓷 ( PbNb2O6 ) 它的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠經(jīng)受接近居里點(diǎn)( 570)而不會(huì)強(qiáng)烈地退極化。另一個(gè)特 點(diǎn)是具有特別低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。特別適合做寬帶、耐高溫、耐高靜水壓的換 能器。4鈮酸鉀鈉壓電陶瓷( (Na,K )NbO3)k15 ，因它具有非常低的介電常數(shù)、較高的頻率常數(shù)和較高的切變機(jī)電耦合系數(shù)而適合 切變模式特別是高頻( 10100MHz)下的換能器。5 鈦酸鉛壓電陶瓷( PbTiO 3 )它是一種頗具特點(diǎn)的壓電材料。其居里點(diǎn)很高，適合在高溫下工作。在壓電陶 瓷中，它的介電常數(shù)最小，具有中等阻抗。它的機(jī)電耦合系數(shù) kt 和 k33較大，而 k p和k31卻很小，用其制作沿 z 軸振動(dòng)振子，易得到近似的純模。它的壓電常數(shù) g33 大，適于做接收器。超聲波探頭常用壓電材料的主要性能參數(shù)名稱d31g31Ktk31mTCN3t鈮酸鉀 鈉-51240420-偏鈮酸 鉛-911570-鈦酸鋇-783001152520鈦酸鉛