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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划压电材料的压电常数d33测试实验十二压电陶瓷压电性能测定实验名称：压电陶瓷压电性能测定实验项目性质：普通实验所涉及课程：电子材料计划学时：2学时一、实验目的1.了解压电常数的概念和意义；2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。3.学会操作ZJ-3AN型准静态d33测量仪。二、实验内容1.实验老师介绍使用压电常数测量仪测试d33的原理与步骤；2.测试压电陶瓷的压电常数。三、实验仪器设备和材料清单ZJ-3AN型准静态d33测量仪、压电陶瓷晶片等。四、实验原理压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互
2、相转换的功能陶瓷材料，是一种具有压电效应的材料。当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“正压电效应”。逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。压电常数是反映力学量与电学量间相互耦合的线性响应系数。通常用dij表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。五、实验步骤用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。把20尼龙片插入测量头的上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。把仪器后面板上的“
3、显示选择”开关置于“d33”一侧，此时面板右上方绿灯亮。把仪器后面板上的“量程选择”开关置于“1”档。按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“调零”旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动。调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。依次接入待测元件，表头显示d33结果及正负极性，记录。取三次测量的平均值。六、实验报告要求1.实验目的；2.实验内容；3.实验设备，材料；4.实验原理；5.实验步骤；6.实验数据测试与记录；7.实验结果与分析。七、考核型式书面实验报告及实际操作相结合。思考题1.分析影响压电常数测试结果准确性的因素？注意事项：1.压电陶瓷片易碎，测试时要小心。2.调零一律在“快速模式
4、”下进行，为减少测量误差，在测试过程中零点如有变化或换档时，需要重新调零。第二章压电陶瓷测试NBT基陶瓷的极化与压电性能测试NBT基陶瓷的极化1.试样的制备为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆，并在一定温度干燥。将表面涂覆高温
5、银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320350，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。2.NBT基压电材料的极化利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化70。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了
6、极性，也就显示了压电性。对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。NBT基陶瓷的压电性能测试1压电振子及其等效电路10图压电振子的等效电路利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时，若讯号频率与器件的机械谐振频率fr一致，就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振，器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号，这种器件称为压电振子，广泛用于制作滤波器、谐振换
7、能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图来表示，它由电容C1，电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。2压电材料的性能测试压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是用交流信号激励样品，使之处于谐振及谐振附近的状态，通过测量其特征频率，并进行适当的计算便可获得压电参量的数值71。本实验采用准静态d33测试仪测量样品的压电常数，采用HP4294A精密阻抗分析仪测量样品的电容CT与介质损耗tan，根据样品的频率-阻抗谱得到串联谐振频率fs、并联谐振频率fp和串联谐振电阻R1，并根据中华人民共和国国家标准压电
8、陶瓷材料性能测试方法计算出其它各压电参数的值。(1)介电常数介电常数是综合反映电介质材料的介电性质或极化行为的一个宏观物理量，它表示材料两电极间的电介质的电容与真空状态时电容的比值1。本实验采用相对介电常数来表征材料的介电性能，作如下计算：T33T/033DCT/0=A0DCTd()220其中，D为样品的厚度，A为样品电极面积，d为样品的直径，CT为样品的电容，空介电常数，其值为10-12F/m。(2)介质损耗tan0为真介质损耗主要是由极化弛豫和介质漏电引起的。通常以电介质中存在一个损耗电阻Rn来表示电能的消耗。把通过介质的电流分成消耗能量的部分IR和不消耗能量的部分IC，定义介质损耗正切角
9、为：tan=IR/IC=1/wCRn。(3)机械品质因数Qm机械品质因数Qm表征压电体谐振时因克服内摩擦而消耗的能量，其定义为谐振时压电振子内储存的电能Ee与谐振时每个周期内振子消耗的机械能Em之比。机械品质因数Qm也是衡量压电陶瓷的一个重要参数，它表示在震动转换时，材料内部能量损耗程度。不同的压电器件对压电陶瓷材料的Qm值有不同的要求，多数的陶瓷滤波器要求压电陶瓷的Qm值要高，而音响器件及接收型换能器则要求Qm值要低2。根据等效电路和测试方法，Qm可用下式计算：Qm=12fsR1CT(fp?fsfp222)其中，CT为电容，fs为串联谐振频率，fp为并联谐振频率，R1为串联谐振电阻。(4)频
10、率常数N压电材料频率常数N是指振子谐振频率fr与主振动方向长度的乘积。由于谐振频率与压电振子主振动方向的长度成反比，所以频率常数N与振子尺寸无关，只与压电材料的性质、震动模式有关。对于薄圆片径向伸缩震动模式的压电振子，频率常数Np=fsd。其中，fs为串联谐振频率，d为样品的直径。(5)机电耦合系数k机电耦合系数k是表征压电材料的机械能与电能相互转换能力的参数，是衡量材料压电性强弱的重要参数之一。k越大，说明压电材料机械能与电能相互耦合的能力越强。k定义为：k2=被转换的电能/输入的总机械能根据测试方法，本实验采用HP4294A精密阻抗分析仪测得样品的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp，算出f
11、/fs的值，通过查kpf/fs对应数值表，确定kp的值。(6)压电常数d33压电常数是压电材料把机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转换系数，它反映压电材料机械性能与介电性能之间的耦合关系。压电系数越大，表明材料机械性能与介电性能之间的耦合越强2。本实验采用准静态d33测试仪测量样品的压电常数。测量原理是将一个低频震动的应力同时施加到待测样品和已知压电系数的标准样品上，将两个样品的12压电电荷分别收集并作比较，经过电路处理，得到待测样品的d33值，同时表示出样品的极性71。NBT基陶瓷的铁电性能测试铁电体的电滞回线晶体在一定温度范围内具有自发极化，并且自发极化的方向能随外电场转向而转向，这类
12、晶体被称为铁电体。铁电体的重要特征之一是具有电滞回线。图为铁电体的电滞回线，它表明外加电场E与极化强度P之间的非线性关系。当外加电场E增大时，铁电体在外电场方向的极化强度P也随外电场增大，到C点时达到最大极化强度Pmax。当外加电场减小为0时，铁电体具有的极化强度称为剩余极化强度Pr。将电滞回线的线性部分CD延长，与极化强度轴的交点称为饱和极化强度Ps。改变电场方向至Ec时，极化强度才下降为0，Ec称为矫顽场75。铁电体的电滞回线能够最全面地反映自发极化的存在及其宏观特性。电滞回线上所显示的各个特征，对铁电材料的研制、结构的分析、极化条件的选择、铁电体的应用及铁电理论的检验都具有很大的意义。图
13、铁电体的电滞回线NBT基陶瓷的铁电性能测试测量电滞回线的基本电路位Sawyer-Tower回路。其基本原理为：在铁电体上施加一个交变电压，观察流过铁电体的电流随外加电场的变化。流过铁电体的电流分为传导电流和位移电流两部分，传导电流决定于被测铁电材料的漏电，而位移电流主要决定于铁电材料中自发极化的转向情况，反映在电极上自由电荷的变化。由于铁电体的外加电场E与极化强度P之间存在强烈的非线性关系，这种关系也就可以反映在外加电场和位移电流的变化上。Sawyer-Tower回路测量这两个相互关联的函数，把它们随时间的变化关系显示出来，就得到了铁电材料的P-E电滞回线70。本实验采用RadientPrec
14、isionWorkStation6000铁电工作站测试NBT基陶瓷样品的电滞回线，并得到铁电性能参数的数值。13压电材料的主要性能参数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=Ct/A式中C电容器电容；A电容器极板面积；t电容器电极间距当电容器极板距离和面积一定时，介电常数越大，电容C也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以应大一些。因为大，C就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。(2)压电应变常数压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小：d31?t(m/V)U式中U施加在压电晶片两面的压电；t晶片在厚度方向的变形。压电应变常数d33是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。压电电压常数g33压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小：g31?UP(V?m/N)P式中P施加在压电晶片两面的应力；UP晶片表面产生的电压梯度，即电压U与晶片厚度t之比，UP=U/t。压电
