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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陶瓷材料性能测试方法压电陶瓷材料及应用一、概述电介质电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电
2、介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、
3、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有：、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。功能陶瓷作为信息时代的支柱材料，以其独特的力、热、电、磁、光以及声学等功能性质，在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。压电材料的分类具有压电效应的材料称为压电材料。自1880年J
4、acquesCurie和PierreCurie发现压电效应以来，压电材料发展十分迅速。利用压电材料构成的压电器件不仅广泛用于电子学的各个领域，而且已遍及日常生活。例如，农村中家家户户屋檐下挂的小喇叭-压电陶瓷扬声器；医院里检查心脏、肝部的超声诊断仪上的探头-压电超声换能器；电子仪器内的各种压电滤波器；石油、化工用各种压电测压器、压电流量仪等等。压电材料主要有压电晶体、陶瓷、压电薄膜、压电聚合物及复合压电材料等。图压电材料的分类压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶、镓酸锂等。压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。这
5、些构成铁电陶瓷的晶粒的结构一般是不具有对称中心的，存在着与其它晶轴不同的极化轴，而且它们的原胞正负电荷重心不重合，即有固有电矩自发极化存在。然而，铁电陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的。而且，各晶粒间自发极化方向杂乱，总的压电效应会互相抵消，因此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极化强度可以发生转向，在外电场去除后还能保持着一定值剩余极化，如图所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度。利用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一定的
6、净极化强度。这一过程称为人工极化。经过极化处理后，烧结的铁电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见，陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都应是铁电陶瓷。图铁电材料的电滞回线相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切割限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准品率控制的振子、高选择性的滤波器以及高频、高温超声换能器等。压电薄膜是一种独特的高分子传感材料，能相对于压
7、力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，压电薄膜元件通常由四部分组成：金属电极、加强电压信号压膜、引线和屏蔽层。压电聚合物，如偏聚氟乙烯等，具有材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数等优点，为世人瞩目且发展十分迅速，现在水声超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。复合压电材料，是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如它制成的水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。发展概况1942-1
8、945年间发现钛酸钡具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTiO3压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO3陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO3存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。1954年美国B贾菲等人发现了压电PbZrO3-PbTiO3固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。六十年代初，Smolensky等人对复合钙钛矿型化合物进行了系统的研究
9、，提出可以用不同原子价的元素组合取代钙钛矿结构中的A-位和B-位离子，大大增加了钙钛矿型化合物的种类。如Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PNN)、Pb(Sb1/3Nb2/3)O3(PSN)等，这些新的二元系压电陶瓷不仅各有特色，而且陶瓷的烧结温度低，工艺重复性好，对压电材料的发展起了积极作用。1965年，日本松下电气公司的发表了把Pb(Mg1/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT陶瓷中制成的三元系压电陶瓷，发现它具有良好的压电性能。1969年，我国压电与声光技术研究所研制成功把Pb(Mn1/3Sb2/3)O3作为第三组分加到PZT中的三元系压电
10、陶瓷，性能比PZT和PCM优越。经过10多年的深入研究和广泛应用，这种材料成为我国自成体系的、具有独特性能的、工艺稳定的三元系压电陶瓷，起名PMS。PMS压电陶瓷和用它作换能器的压电晶体速率陀螺均先后获国家科委发明奖。80年代，为了既能满足人类日益增长的物质文化生活需要，又能减少对环境的污染，保护人类赖以生存的生态环境，简化材料制备工艺，开始了非铅基铁电压电陶瓷的研究工作。非铅基铁电压电陶瓷主要是以铌酸盐和钛酸盐为主的化合物。虽然这类材料的目前压电性能还不如锆钛酸铅系，但是非铅基铁电压电陶瓷的研究开发已成为压电陶瓷材料领域的研究前沿之一。二、压电陶瓷的压电机理与性能参数压电陶瓷是一种多晶体，它
11、的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。极化的微观机理在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。电子位移极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化，其极化率称为电子位移极化率?e。压电陶瓷材料的主要性能及参数自由介电常数T33电介质在应变为零时的介电常数，其单位为法拉/米。相对介电常数Tr3介电常数T33与真
12、空介电常数0之比值，Tr3=T33/0，它是一个无因次的物理量。介质损耗电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。损耗角正切tg理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前900，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角小于900，它的余角称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tg来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率P与无功功率Q之比。即：电学品质因数Qe电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/tg=CR机械品质因
13、数Qm压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为：泊松比泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用表示：=-S12/S11串联谐振频率fs压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用fs表示，即并联谐振频率fp压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用fp表示，即fp=谐振频率fr使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用fr表示。反谐振频率fa使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率，用fa表示。最大导纳频率fm压电振子导纳最大时
14、的频率称为最大导纳频率，这时振子的阻抗最小，故又称为最小阻抗频率，用fm表示。最小导纳频率fn压电振子导纳最小时的频率称为最小导纳频率，这时振子的阻抗最大，故又称为最大阻抗频率，用fn表示。基频给定的一种振动模式中最低的谐振频率称为基音频率，通常成为基频。泛音频率给定的一种振动模式中基频以外的谐振频率称为泛音频率。温度稳定性温度稳定性系指压电陶瓷的性能随温度而变化的特性。在某一温度下，温度变化1时，某频率的数值变化与该温度下频率的数值之比，称为频率的温度系数TKf。TKf=另外，通常还用最大相对漂移来表征某一参数的温度稳定性。正温最大相对频移=fs(正温最大)/fs(25)负温最大相对频移=f
15、s(负温最大)/fs(25)机电耦合系数机电耦合系数K是弹性一介电相互作用能量密度平方V122与贮存的弹性能密度V1与介电能密度V2乘积之比的平方根。压电陶瓷常用以下五个基本耦合系数A、平面机电耦合系数KPB、横向机电耦合系数K31C、纵向机电耦合系数K33D、厚度伸缩机电耦合系数KTE、厚度切变机电耦合系数K15压电应变常数D压电应变常数是在应力T和电场分量EM(MI)都为常数的条件下，电场分量E变化所引起的应变分量SI的变化与EI变化之比。压电电压常数G(PIEZOELECTRICVOLTAGECONSTANT)该常数是在电位移D和应力分量TN都为常数的条件下，应力分量TI的变化所引起的电场强度分量EI的变化与TI的变化之比。居里温度TC(CURIETEMPERATURE)压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度TC，当温度高于TC时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度TC称为居里温度。温度稳定性(TEMPERATURESTABILITY)指压电陶瓷的性能
