压电材料压电材料6.2 6.2 电介质材料电介质材料 电介质电介质：在电场作用下，能建立极化的物质通常是指电：在电场作用下，能建立极化的物质通常是指电阻率大于阻率大于1010? ? ·cm的一类在电场中以感应而并非传导的的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质方式呈现其电学性能的物质 电介质材料的主要效应：电介质材料的主要效应： 压电性压电性-------压电效应压电效应 热释电性热释电性-----热释电效应热释电效应 铁电性铁电性--------自发极化与铁电体自发极化与铁电体 32种点群中，种点群中，21种点群没有对称中心，其中种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，种点群具有压电效应，其中只有其中只有10种种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体的才是铁电体 自发极化自发极化 所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。
上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷 ①① 压电效应压电效应：在20种晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷 ②② 热释电效应：热释电效应：10种种极性晶体具有自发极化，晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效热释电效应应 ③③ 铁电效应：铁电效应：极性晶体具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变它们最显著的特征，宏观的表现就是具有电滞回线 ２．压电、热释电和铁电效应的关系 Ａ．电介质(绝缘体)与导体不同，带电粒子被束缚在固定位置上，在电场作用下，仅能作微小的位移，即产生电极化电极化，但不产生电流，称这种性质为介电性． Ｂ．极性晶体与非极性晶体 在晶体的32种对称群中，有11种具有对称中心，晶格上为非极性原子或分子，在电性上是完全电中性的，称为各向同性介电体．另有20种结构的晶体，其结构上无对称中心，在压力作用下可产生极化现象，此即压电效应． 极性晶体的极化可能是自发产生的极性晶体的极化可能是自发产生的,此时在结构中产生永此时在结构中产生永久久偶极矩当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向上的变化上的变化 C．热释电效应与铁电效应的实质 两种晶体均存在自发极化。
当晶体温度改变时，自发极化偶极矩发生变化，从而使晶体表面出现束缚电荷，即热释电效应； 自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效应． D．压电、热释电和铁电效应的关系 介电体介电体 压电体压电体 热释电体热释电体 铁电体铁电体 6.2.1 6.2.1 压电效应压电效应 正压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷这种机械能转化为电能的现象称为现正负电荷这种机械能转化为电能的现象称为““正压正压电效应电效应”” 逆压电效应：逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力当外加电场撤生与电场强度成比例的变形或机械应力当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。
这种电能转化为机去时，这些变形或应力也随之消失这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为““逆压电效应逆压电效应”” 力力 + + + + + + + 极化方向极化方向 自由电荷自由电荷 －－－－－－－－－－－－－－ 正压电效应正压电效应 释放电荷释放电荷 极化方向极化方向 逆压电效应逆压电效应 极性晶体不具有对称中心的晶体（21） 32种点群 （10） 压电效应 热释电 铁电 晶体 具有对称中心的晶体（11） 非极性晶体（11） 压电效应（10种） 极化方向极化方向+ + + + + －－ －－ －－ －－ －－ + + + + + －－ －－ －－ －－ －－ 释放电荷释放电荷 极性压电效应极性压电效应 极极化化方方向向 + + + + + + + －－－－－－－－－－－－－－ 释放电荷释放电荷 非极性压电效应非极性压电效应 利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换 机械量压电元件压电效应可逆性压电效应可逆性 电量 压电材料的压电材料的性能指标性能指标 压电常数压电常数d d33 33 机电耦合系数机电耦合系数K Kp p 机械品质因数机械品质因数Q Qm m 频率常数频率常数N N ???? 1 1、压电常数、压电常数d d33 33 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
场）间相互耦合的线性响应系数 当沿压电陶瓷的极化方向（ z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式： D3? d33T3式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力； D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（ T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱 2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机压电材料进行机—电能量转换能力的反映电能量转换能力的反映机电耦合系数的定义是： 或或 通过逆压电效应转换所得的机械能K ?转换时输入的总电能2通过正压电效应转换所得的电能K ?转换时输入的总机械能2 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
伸缩振动：伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动极化方向与电场方向平行时产生的振动 切变振动：切变振动： 纵向效应：纵向效应：横向效应：横向效应：包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动 极化方向与电场方向垂直时产生的振动极化方向与电场方向垂直时产生的振动 包括平面切变振动、厚度切变振动包括平面切变振动、厚度切变振动 弹性波传播方向与极化轴平行弹性波传播方向与极化轴平行 弹性波传播方向与极化轴垂直弹性波传播方向与极化轴垂直 Kt Kp K33 K15 K31 3 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m 工业上很多压电元件是利用工业上很多压电元件是利用谐振效应谐振效应而形成的，比如压电滤波器、超而形成的，比如压电滤波器、超声换能器、压电谐振器声换能器、压电谐振器当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频率率frfr一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量，即产生机械损耗。
消耗部分能量，即产生机械损耗QmQm便是描述这种能量损耗的参数便是描述这种能量损耗的参数 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量机械品质因数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量机械品质因数Q Qm m是是反映能量消耗大小反映能量消耗大小的一个参数的一个参数Q Qm m越大，能量消耗越小越大，能量消耗越小机械品质因数机械品质因数Q Qm m的定义式是：的定义式是： 谐振时振子储存的机械能Qm? 2?每一谐振周期振子所消耗的机械能其中：其中： fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率 fQm?2?frR(C0? C1)( fa2? fr2)2afa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻） C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容 4 4、频率常数、频率常数N N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即频率常数的乘积为一个常数，即频率常数N N 其中：其中： N=fr××l f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率； l l为压电振子振动方向的长度。
为压电振子振动方向的长度 薄圆片径向振动薄圆片径向振动 Np=fr××D Nt=fr××t D为圆片的直径为圆片的直径 薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动 细长棒细长棒K33振动振动 薄板切变薄板切变K15振动振动 t为薄板的厚度为薄板的厚度 l为棒的长度为棒的长度 lt为薄板的厚度为薄板的厚度 N33=fr××l N15=fr××lt 6.2.2 6.2.2 压电材料简要发展历史压电材料简要发展历史 ? 1.1880 1.1880 年，居里兄弟发现了年，居里兄弟发现了石英晶体石英晶体存在压电效应后使存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域 ? 2.1921 2.1921 年，年，J.Valasek J.Valasek 发现了发现了水溶性酒石酸钾钠水溶性酒石酸钾钠具有压具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性次发现材料的铁电性 ? 3.1941-1949 3.1941-1949 年间，科研人员发现年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷具有铁电性具有铁电性能。
能 ? 4.1954 4.1954 年美国的年美国的JaffeJaffe等发现等发现锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT）） 陶瓷的具陶瓷的具有良好的压电性能在以后的有良好的压电性能在以后的30 30 年间，年间，PZTPZT材料以其较强材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器压电换能器的主要功能材料的主要功能材料 ? 5.5.随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系高了，二元系PZTPZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料三元、四元甚至五元压电材料 压电材料应用：压电材料应用： 机机- -电耦合之间的纽带！电耦合之间的纽带！ ①① 作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用 ②② 利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用 频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电加速器，变压器等加速器，变压器等 压电材料分类：压电材料分类： 压电单晶体：压电单晶体：有石英有石英( (包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英) )、水溶性压、水溶性压电晶体电晶体( (包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酸锤等) )；； 多晶体压电陶瓷：多晶体压电陶瓷：有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。
铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等 高分子压电材料：高分子压电材料：极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件学阻抗特性，柔软可做极薄的组件 压电参数小，需极高压电参数小，需极高的极化电场的极化电场(MV/mm) 6.2.3 6.2.3 石英晶体石英晶体 1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体化学式为石英晶体化学式为 SiO2，是，是属三方晶系的氧化物单晶体属三方晶系的氧化物单晶体结构天然结构的石英晶体结构天然结构的石英晶体外形是一个六角柱状外形是一个六角柱状 z 石英晶体各个方向的特性是不同的 x o y x轴（轴（1轴）：轴）：经过六面体棱线并垂直于光轴的经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴称为电轴 y轴（轴（2轴）轴） ：：与与x和和z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y称为机械轴称为机械轴 z轴（轴（3轴）轴） ：：称为光轴称为光轴 纵向压电效应：纵向压电效应： 通常把沿电轴通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为““纵向压电效应纵向压电效应””。
横向压电效应：横向压电效应： 而把沿机械轴而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为““横向压电效应横向压电效应”” 而沿光轴而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应方向的力作用时不产生压电效应 zzbzoxoyxoyxacy(a)(b)(c) 石英晶体石英晶体 (a) 晶体外形；晶体外形； (b) 切割方向；切割方向； (c) 晶片晶片 zzbzoxoyxoyxacy(a)(b)(c) 若从晶体上沿若从晶体上沿y方向切下一块方向切下一块晶片晶片，当沿电轴，当沿电轴x方向施加作方向施加作用力用力Fx时，在与电轴时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷， 其大小为其大小为 q1? d11F1 d11——x方向受力方向受力,x方向产生电量的压电系数方向产生电量的压电系数 zzbzoxoyxoyxacy(a)(b)(c)若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴 y方向施加作用力方向施加作用力 Fy，则仍在与，则仍在与x轴轴垂直的平面上产生电荷垂直的平面上产生电荷qx，其大小为，其大小为 aq1? d12F2b式中：式中：d12—— y轴方向受力，轴方向受力，x方向产生电量的压电系数，方向产生电量的压电系数， 根据石英晶体的对称性，根据石英晶体的对称性， 有有d12=-d11；； a、、b——晶体切片的长度和厚度。
晶体切片的长度和厚度 zz zxoyxO oy yx (a )(b ) 当石英晶体沿当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿轴方向作用力时，由于晶体沿 x轴方向和轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿轴方向产生同样的变形，因此沿 z轴方轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即即dz=0 2 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关图石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关图 2是一个单是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列平面上的投影，等效为一个正六边形排列 图中图中““+”代代表硅离子表硅离子Si4+，， ““—” 代表氧离子代表氧离子O2- zzxoyxoy(a )图图1 (b )图图2 当石英晶体未受外力作用时：当石英晶体未受外力作用时： 正、负离子正好分布在正六边形的正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成顶角上，形成三个互成120°°夹角的夹角的电偶极矩电偶极矩μ1、、 μ2、、μ3。
μ =ql q为电荷量，为电荷量，l为正负电荷之间距离为正负电荷之间距离此时正负电荷重心重合，电偶极矩此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零的矢量和等于零 即：即：μ1+ μ2+ μ3=0 所以所以晶体表面不产生电荷，即呈中晶体表面不产生电荷，即呈中性 当晶体受到沿当晶体受到沿 x轴方向的压力作用时：轴方向的压力作用时： 晶体沿晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动此时正负子的相对位置也随之变动此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向方向上的分量由于上的分量由于 μ1的减小和的减小和 μ2、、μ3的增的增加而不等于零加而不等于零 在在x轴的正方向出现轴的正方向出现负电荷负电荷，电偶极矩，电偶极矩在在y方向上的分量仍为零，不出现电荷方向上的分量仍为零，不出现电荷 q1? d11F1 当晶体受到沿当晶体受到沿 y轴方向的压力作轴方向的压力作用时：用时： 晶体的变形如图所示晶体的变形如图所示 μ1增大，增大，μ2、、 μ3减小减小 在在x轴上出现电荷，它的极性为轴上出现电荷，它的极性为 x轴正向为轴正向为正电荷正电荷。
在在y轴方向上仍不出现电荷轴方向上仍不出现电荷 qda1?12bF2 如果沿如果沿z轴方向施加作用力，轴方向施加作用力，因为晶体在因为晶体在 x方向和方向和 y方向所产方向所产生的生的形变完全相同形变完全相同 ，所以正负，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零矢量和等于零 这表明沿这表明沿z轴方向施加作用力，轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应晶体不会产生压电效应 z O y x dz=0 石英晶体的特点：石英晶体的特点：性能非常稳定，机械强度高，性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好但石英材料价格昂贵，且压电系数绝缘性能也相当好但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多因此一般仅用于标准仪器或要求较比压电陶瓷低得多因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中高的传感器中 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大为了在设计石英传感器时，根据不同性等）相差很大。
为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型使用要求正确地选择石英片的切型 6.2.4 压电陶瓷压电陶瓷 晶体具有压电性的必要条件是：晶体具有压电性的必要条件是： 晶体不具有对称中心晶体不具有对称中心 所有所有铁电体铁电体都具有压电效应和热释电效应都具有压电效应和热释电效应 压电陶瓷压电陶瓷：：是一种能够将机械能和电能互相转换的功是一种能够将机械能和电能互相转换的功 能陶瓷材料，一般能陶瓷材料，一般 多晶体多晶体压电材料压电材料压电陶瓷利用其 材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对 位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作 铁电陶瓷具有压电效应铁电陶瓷具有压电效应 电场方向铁电材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，铁电材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴， 在无外电场作在无外电场作(a )用时用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零因此原始的压电陶瓷呈中抵消，压电陶瓷内极化强度为零因此原始的压电陶瓷呈中性，性，不具有压电性质不具有压电性质。
铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的 电场方向在陶瓷上施加外电场后在陶瓷上施加外电场后 ，电畴的极化方向发生转动，趋向于按，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化外电场愈强，就有外电场方向的排列，从而使材料得到极化外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向让外电场强度大到使材更多的电畴更完全地转向外电场方向让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性材料才具有压电特性 (b) 压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性 ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?束缚电荷束缚电荷 自由电荷自由电荷 电极电极 自由电荷自由电荷 图图 束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴（轴（3 3轴），轴），垂直于垂直于z轴的平面上任何直线都可作为轴的平面上任何直线都可作为 x （（1轴）轴）或或y轴轴（（2轴）轴）当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在 垂直垂直于于z轴的上、下两表面上将会出现电荷轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量，其电荷量 qz与与作用力作用力Fz成正比，即成正比，即 z qz? d33Fzx O y 式中：式中： d d3333———— 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数； F F ————作用力 压电陶瓷在受到沿压电陶瓷在受到沿 y方向的作用力方向的作用力 Fy或沿或沿x方向的作用方向的作用力力Fx时，在垂直于时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负轴的上、下平面上分别出现正、负电荷电荷，其电荷量，其电荷量qz与作用力与作用力Fy、、Fx也成正比，即也成正比，即 AzAzqz? ?d32Fy? ?d31FxAyAx式中式中 A z——极化面面积；极化面面积； x Ax、、A y——受力面面积；受力面面积； d32、、d31——压电陶瓷的横向压电系数压电陶瓷的横向压电系数 z O y 压电材料特性压电材料特性 压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性： ①①转换性能。
转换性能要求具有较高的要求具有较高的压电常数压电常数d ②②机械性能机械性能机械强度高、刚度大机械强度高、刚度大 ③③电性能电性能高电阻率和高高电阻率和高介电常数介电常数 ④④环境适应性环境适应性温度和湿度稳定性要好，要求具有较高温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围的居里点，获得较宽的工作温度范围 ⑤⑤时间稳定性时间稳定性要求压电性能要求压电性能不随时间不随时间变化 压电陶瓷材料：压电陶瓷材料： 1. 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的压电系数（约为石英晶体的 50倍）不足之处是倍）不足之处是居里点温度居里点温度低低（（120℃℃），温度稳定性和机械强度），温度稳定性和机械强度不如不如石英晶体石英晶体 2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（ PZT）） 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb(Zr,Ti)O3它与钛酸钡相比，压电系数更大，居它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在里点温度在300℃℃以上，各项机电参数受温度影响以上，各项机电参数受温度影响 小小，，时间稳定性好。
时间稳定性好 在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT材料因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中 应用应用最广泛的最广泛的压电材料压电材料 压电陶瓷材料分类 钛酸铅(PbTiO3)系压电陶瓷；锆酸铅(PbZrO3)系压电陶瓷 锆钛酸铅 PbTiO3-PbZrO3(PZT) 压电陶瓷 ： 1）一元系压电陶瓷； 2）二元系压电陶瓷； 3）三元系压电陶瓷； 4）四元系压电陶瓷 1965年问世的PCM，它由锆酸铅PbZrO3- 钛酸铅PbTiO3- 铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成 一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷 BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷 PbTiOPbTiO3 3陶瓷陶瓷 工作温区窄工作温区窄 工作温区宽工作温区宽 T Tc c=120℃=120℃ T Tc c=490℃=490℃ 热稳定性差热稳定性差 热稳定性好热稳定性好 易极化易极化 难极化难极化 K Kp p =0.354 =0.354 K Kp p =0.095 =0.095 d d3333=191(10=191(10-12-12库库/ /牛牛) ) d d3333=56(10=56(10-12-12库库/ /牛牛) ) g g3333=11.4(10=11.4(10-3-3伏伏·米米/ /牛牛) ) g g3333=33(10=33(10-3-3伏伏·米米/ /牛牛) ) 工艺性好工艺性好 工艺性差工艺性差 （粉化，（粉化，PbOPbO易挥发）易挥发） 二元系二元系Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O3 3压电陶瓷压电陶瓷 相相 结结 构构 晶体结构晶体结构 居里温度居里温度 T Tc c 类类 别别 T>Tc c PbZrOPbZrO3 3 PbTiOPbTiO3 3 钙钛矿结构钙钛矿结构 钙钛矿结构钙钛矿结构 正交晶系正交晶系 正交晶系正交晶系 230230 ℃℃ 490490 ℃℃ 反铁电体反铁电体 铁电体铁电体 c/a =0.981<1c/a =0.981<1 c/a=1.063>1c/a=1.063>1 立方顺电相立方顺电相 因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成 无限固溶体无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。
多元系多元系Pb(TiZr)OPb(TiZr)O3 3压电陶瓷压电陶瓷 一些性能往往是一些性能往往是互相克制互相克制的，如：的，如： Q Qm m 增加增加↑↑ ，则，则K KP P减小减小 ↓↓ ；； εε增加增加↑↑，则，则tanδtanδ增大增大↑ ↑ ；； K KP P增加增加 ↑↑，则热稳定性，则热稳定性↓↓ 国内比较常见的国内比较常见的PZTPZT瓷料的性能瓷料的性能K KP P=0.10=0.10～～0.400.40，，Q Qm m=500=500～～3600 ,3600 ,具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电具有比较宽的覆盖范围，能满足一般压电器件的要求，但这些性能都不是最佳值器件的要求，但这些性能都不是最佳值 1965 1965年以来，人们通过在年以来，人们通过在PZTPZT的基础上再的基础上再固溶固溶另一种组另一种组分更复杂的分更复杂的复合钙钛矿化合物复合钙钛矿化合物Pb(BPb(B1 1B B2 2)O)O3 3而形成的三元系、而形成的三元系、四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能四元系甚至五元系压电陶瓷以获得更好的压电性能。
Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 三元系三元系 压电陶瓷压电陶瓷 Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(SbPb(Sb1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 四元系四元系 压电陶瓷压电陶瓷 Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Ni-Pb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(CdPb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3 -Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Mg-Pb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 Pb(MnPb(Mn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-Pb(Cd-Pb(Cd1/21/2W W1/21/2)O)O3 3-Pb(Zn-Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3-PbTiO-PbTiO3 3-PbZrO-PbZrO3 3 五元系五元系 压电陶瓷压电陶瓷 常用压电材料性能参数常用压电材料性能参数 压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途 应用领域应用领域 电源电源 信号源信号源 信号转换信号转换 举举 例例 雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，压电变压器压电变压器 激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置 振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中标准信号源标准信号源 的时间和频率标准信号源的时间和频率标准信号源 拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声电声换能器电声换能器 频范围的电声器件频范围的电声器件 超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测的超声器件，压电马达，探测超声换能器超声换能器 地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件声器件 发射发射 与接收与接收 水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，水声换能器水声换能器 鱼群探测和传声器等鱼群探测和传声器等 压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途 信信 号号 处处 理理 滤波器滤波器 放大器放大器 表面波导表面波导 加速度计加速度计 压力计压力计 角速度计角速度计 红外探测计红外探测计 通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等 声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等 声表面波传输线声表面波传输线 工业和航空上测定振动体或飞行器工作状态加速度计，自动控工业和航空上测定振动体或飞行器工作状态加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等 测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺 监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等电探测、跟踪器等 传传 感感 与与 计计 测测 位移与致动器位移与致动器 激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器 调制调制 存存 贮贮 其它其它 存贮存贮 显示显示 非线性元件非线性元件 电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关 光信息存贮器，光记忆器光信息存贮器，光记忆器 铁电显示器，声光显示器等铁电显示器，声光显示器等 压电继电器等压电继电器等 6.2.6 压电材料应用压电材料应用 压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。
其应用大致可归纳为以下四方面活密切相关其应用大致可归纳为以下四方面 能量转换能量转换 压电陶瓷可以将机械能转换为电能，压电陶瓷可以将机械能转换为电能，故可用于制造故可用于制造 压电打火机、炮弹引爆装置等压电打火机、炮弹引爆装置等用用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动，用于探探寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清寻水下鱼群，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗洗、超声医疗等 ?传感传感用压电陶瓷制成的传感器可用来用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械检测微弱的机械振动并将其转换为电信号振动并将其转换为电信号 ，可应用于，可应用于声纳声纳系统、系统、气象气象探测、探测、遥感遥感遥测、环境保护、家用电器等遥测、环境保护、家用电器等 ?驱动驱动压电驱动器是利用压电陶瓷的压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应产生形产生形变，以变，以精确地控制位移精确地控制位移 ，可用于精密仪器与精密机械、微，可用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域电子技术、光纤技术及生物工程等领域 ?频率控制频率控制 压电陶瓷还可以用来制造各种压电陶瓷还可以用来制造各种 滤波器滤波器和和谐谐振器振器。
压电打火机压电打火机 用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根用大拇指压一下打火机上的按钮，使一根钢柱钢柱在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷在压电陶瓷上施加机械力，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体可燃气体 在这种打火机中，采用在这种打火机中，采用直径为直径为2.5毫米，毫米，高度为高度为4毫米毫米的压电陶瓷，就可得到的压电陶瓷，就可得到1010～～2020千伏千伏的高电压当电压升高到该间隙的的高电压当电压升高到该间隙的放电电压时，间隙中就产生放电火花放电电压时，间隙中就产生放电火花 压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损没有磨损，可以，可以长久使用下去长久使用下去 压电打火机压电打火机 V 冲击块冲击块 外外 壳壳 高压引线高压引线垫块垫块 压电引爆装置压电引爆装置 压电打火机的点火原理压电打火机的点火原理 可应用于各个领域，特别可应用于各个领域，特别是军事领域是军事领域 在在反坦克炮弹反坦克炮弹 上装上压电陶瓷元件，当炮弹击中上装上压电陶瓷元件，当炮弹击中坦克时，陶瓷因受压而产生高电压，从而引燃炸坦克时，陶瓷因受压而产生高电压，从而引燃炸药，摧毁坦克。
药，摧毁坦克 压电陶瓷在压电陶瓷在 非常强的机械冲击波非常强的机械冲击波 的作用下，储存的作用下，储存的能量在以微秒计的瞬间释放出来，产生瞬间电的能量在以微秒计的瞬间释放出来，产生瞬间电流达流达1010万安培万安培以上的高压脉冲，可用于原子武器以上的高压脉冲，可用于原子武器的引爆 压电探鱼仪压电探鱼仪 探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的探鱼仪是一种用来探测水下鱼群的声纳设备声纳设备 其声波发射部分和接收部分声波发射部分和接收部分 用压电陶瓷制成压电用压电陶瓷制成压电陶瓷在交变电场作用下，会产生陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动伸缩振动 ，从而，从而向水中发射声波向水中发射声波 声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来，声波在向前传播时遇到鱼群即被反射回来，压电压电陶瓷接收部分陶瓷接收部分 收到回波后，即将它变换成收到回波后，即将它变换成 电信号电信号，，经过电路处理就会显示出鱼群的规模、种类、密经过电路处理就会显示出鱼群的规模、种类、密集程度、方位和距离等，便于捕捞作业集程度、方位和距离等，便于捕捞作业 压电超声医疗仪压电超声医疗仪 这种诊断仪中有用这种诊断仪中有用 压电陶瓷压电陶瓷 制成制成的的超声波发生探头超声波发生探头 ，它发出的超，它发出的超声波在人体内传输，体内各种不声波在人体内传输，体内各种不同组织对超声波有不同的反射和同组织对超声波有不同的反射和透射作用。
透射作用 反射回来的超声波经反射回来的超声波经压电陶瓷接压电陶瓷接收器收器转换成电信号，并显示在屏转换成电信号，并显示在屏幕上，据此可看出各幕上，据此可看出各内脏的位置、内脏的位置、大小及有无病变等大小及有无病变等 B B型超声诊断型超声诊断仪通常用来检查内脏病变组织仪通常用来检查内脏病变组织 ( (如如肿块等肿块等) ) 压电传感器压电传感器 压电式压力传感器可以测量各压电式压力传感器可以测量各种压力，如种压力，如车轮车轮通过枕木时的通过枕木时的强压力，继电器强压力，继电器触点触点压力和人压力和人体体脉搏脉搏的微小压力等的微小压力等 最多的是在最多的是在汽车汽车上测量气压、上测量气压、发动机内部燃烧压力和真空度发动机内部燃烧压力和真空度 压电换能器压电换能器 换能器：换能器：是将机械振动转变为电信号或在电场驱是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件动下产生机械振动的器件 + －－+ －－ + －－ + －－ + + + －－－－ －－ －－ －－ －－ －－+ + + + －－ + + －－ + －－ －－ －－+ + + + －－ + －－ －－ + －－ + + 压电驱动器压电驱动器 ?压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小， 最最多不超过本身尺寸的千万分之一多不超过本身尺寸的千万分之一 ，别小看这微，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器。
－－压电驱动器 ?据报道，据报道，88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生内产生50μm的位移，响应速度之快是其的位移，响应速度之快是其它材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器它材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器所必须的材料所必须的材料 压电超声马达压电超声马达 ? 当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子表面就会产生超声振动由于定子和转子之间表面就会产生超声振动由于定子和转子之间的摩擦力的作用，转子也会跟着运动起来的摩擦力的作用，转子也会跟着运动起来 世界上最小的马达（电机）：重世界上最小的马达（电机）：重 36mg，长，长径径1mm，可作为人造心脏的驱动器，可作为人造心脏的驱动器 5mm，直，直? 压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器 首先首先输入电压输入电压V1通过通过驱动部分逆压电效应驱动部分逆压电效应转换成机械振动能，转换成机械振动能，机械能通过发电部分机械能通过发电部分正压电效应又换成电正压电效应又换成电能能在这两次能量转在这两次能量转换中实现高的电压输换中实现高的电压输出出V2 开路升压比开路升压比 ：： 压电振荡器压电振荡器 ? 用于加湿机，医疗雾化等领域。
风机风机 雾气出口雾气出口 雾雾 水箱水箱 水水 压电振子压电振子 压电扬声器压电扬声器 其驱动系统为其驱动系统为压电陶瓷双膜片压电陶瓷双膜片，振动系统为纸盆，，振动系统为纸盆，耦合元件把驱动系统的能量有效的传递给振动系耦合元件把驱动系统的能量有效的传递给振动系统工作时，加在压电陶瓷双膜片片上的统工作时，加在压电陶瓷双膜片片上的 电能电能转转换为换为机械能机械能，通过耦合元件传给纸盆使之振动发，通过耦合元件传给纸盆使之振动发声 基于压电扬声器原理还有，压电蜂鸣器，例如音乐基于压电扬声器原理还有，压电蜂鸣器，例如音乐贺卡、门铃．寻呼机移动机振铃等基本工贺卡、门铃．寻呼机移动机振铃等基本工作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响率在音频波段内时就会发出对应的音响 压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途 智能飞机智能飞机 磁悬浮列车磁悬浮列车 汽车汽车 人造卫星人造卫星 细胞穿刺细胞穿刺 智能药片（压电泵）智能药片（压电泵） 集成式集成式 USM 彩色复印机彩色复印机 火星探测器火星探测器 半导体制造业半导体制造业 照相机照相机 手表手表 昆虫机器人昆虫机器人 变形机翼（应用压电作动器）变形机翼（应用压电作动器） 天文望远镜天文望远镜 空中机器人空中机器人 太空机器手太空机器手 超声马达在国外已应用的领域超声马达在国外已应用的领域 压电陶瓷的用途压电陶瓷的用途 无磁性无磁性USM 双模态步进双模态步进 USM 三自由度三自由度 USM 带编码器带编码器 USM 非接触性非接触性 USM 大推力直线大推力直线 USM X-Y运动台（直线运动台（直线 USM）） X-Y运动台（旋转运动台（旋转 USM）） 行波型杆式行波型杆式 USM 模态转换型模态转换型 USM 方板型直线方板型直线 USM 用于二元机翼模型试验用于二元机翼模型试验 便携式汽油发动机便携式汽油发动机 云台控制系统云台控制系统 移动机器人移动机器人 关节机器手关节机器手 核磁共振注射器核磁共振注射器 南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用南京航空航天大学研制的部分超声马达及其应用 。