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1、第九章第九章 电介质材料电介质材料1电介质材料电电介介质质：在在电电场场作作用用下下，能能建建立立极极化化的的物物质质。通通常常是是指指电电阻阻率率大大于于1010 cm的的一一类类在在电电场场中中以以感感应应而而并并非非传传导导的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2压压电电效效应应：在在晶晶体体上上施施加加压压力力、张张力力、切切向向力力时时，则发生与应力成比例的介质极化。则发生与应力成比例的介质极化。热热释释电电效
2、效应应：具具有有自自发发极极化化，晶晶体体可可以以因因温温度度变变化化而而引引起起晶晶体体表表面面电电荷荷，这这一一现现象象称称为为热热释释电电效效应应铁铁电电效效应应：具具有有自自发发极极化化，且且自自发发极极化化方方向向能能随随外外场场改改变变。它它们们最最显显著著的的特特征征，宏宏观观的的表表现现就就是是具有电滞回线。具有电滞回线。热释电效应与铁电效应的区别热释电效应与铁电效应的区别两两种种晶晶体体均均存存在在自自发发极极化化。当当晶晶体体温温度度改改变变时时，自自发极化偶极矩发生变化，即发极化偶极矩发生变化，即热释电效应热释电效应；自自发发极极化化强强度度矢矢量量在在电电场场作作用用下
3、下会会改改变变方方向向，此此即即铁电效应。铁电效应。33.1 压电材料压电材料 气体喷嘴气体喷嘴高高压压引引线线压压电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构压电陶瓷点火示意图压电陶瓷点火示意图压电蜂鸣器压电蜂鸣器 4压电陶瓷因受力形变而产生电的效应压电陶瓷因受力形变而产生电的效应5压电陶瓷片，它利用压电效应工作，既压电陶瓷片，它利用压电效应工作，既可以作发声元件又可以作接收声音的元件。可以作发声元件又可以作接收声音的元件。而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是它。它。压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一层
4、厚约层厚约1mm的压电陶瓷，再在陶瓷表面的压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它的两个电极。的两个电极。现象之一：如将它弯曲，它的表面就会现象之一：如将它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性也会相反。也会相反。现象之二：如在压电陶瓷片的两个电极现象之二：如在压电陶瓷片的两个电极上施加一定电压，它就会发生弯曲，当电上施加一定电压，它就会发生弯曲，当电压方向改变时，弯曲方向也随之改变。压方向改变时，弯曲方向也随之改变。6利用压电效应，有了一种声利用压电效应，有了一种声-电，电电，电-声转换
5、的声转换的两用器件，可以当两用器件，可以当话筒话筒用：对压电陶瓷片讲话，用：对压电陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电压输出。就会有音频电压输出。相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性和大小不断变化，压两极，由于音频电压的极性和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气形电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时候，它又成了成声音，这时候，它又成了喇
6、叭喇叭。7主要内容主要内容一、概述一、概述二、研究史二、研究史三、基本原理三、基本原理四、性能参数四、性能参数五、典型的压电材料五、典型的压电材料六、应用六、应用8压电效应：除了电场产生极化外，在某些电介质晶体中，压电效应：除了电场产生极化外，在某些电介质晶体中，还可以通过纯粹的机械作用（拉压力、压应力或切应力）还可以通过纯粹的机械作用（拉压力、压应力或切应力）而发生极化，出现符号相反的束缚电荷，而发生极化，出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外其电荷密度与外力成比例。力成比例。一、一、概述概述9压电效应：压电效应：v正压电效应：正压电效应：材材料料受受到到机机械械应应力力处处于于应应变变状状
7、态态时时，材材料料内内部部会会引引起起电电极极化化，其其值值与与应应力力的的大大小小成成比比例例，其其符符号号取取决决于于应应力力的的方方向向。外力撤掉后，又重新回到不带电的状态。外力撤掉后，又重新回到不带电的状态。v逆压电效应：逆压电效应：逆逆压压电电效效应应则则与与正正压压电电效效应应相相反反，当当材材料料在在电电场场的的作作用用下下发发生生电电极极化化时时，则则会会产产生生应应变变，其其应应变变值值与与所所加加电电场场的的强强度成正比度成正比，其符号取决于电场的方向。其符号取决于电场的方向。有有正正压压电电效效应应的的晶晶体体必必然然有有逆逆压压电电效效应应，正正压压电电常常数数数数与与
8、逆压电常数必然相等，且一一对应逆压电常数必然相等，且一一对应。10F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性能量的转换能量的转换力力形变形变电压电压 正压电效应正压电效应电压电压形变形变 逆压电效应逆压电效应11压压电电单单晶晶：是是指指按按晶晶体体空空间间点点阵阵长长程程有有序序生生长长而而成成的的晶晶体体。这这种种晶晶体体结结构构无无对对称称中中心心，如如水水晶晶（石石英英晶晶体体）、镓镓酸酸锂锂、锗酸锂等。水晶（锗酸锂等。水晶（-石英）是一种有名的压电晶体。石英）是一种有名的压电晶体。压压电电
9、陶陶瓷瓷：压压电电陶陶瓷瓷泛泛指指压压电电多多晶晶体体。如如：钛钛酸酸钡钡BTBT、锆锆钛酸铅钛酸铅PZTPZT等。抗酸碱，易制成任意形状。等。抗酸碱，易制成任意形状。需高压极化处理。需高压极化处理。高高分分子子压压电电材材料料：如如偏偏聚聚氟氟乙乙烯烯（PVDFPVDF）（薄薄膜膜），这这类类材料材质柔韧，材料材质柔韧，可做极薄的组件，需极高的极化电场可做极薄的组件，需极高的极化电场1.无机压电材料无机压电材料压电材料分类压电材料分类2.有机压电材料有机压电材料3.复合压电材料复合压电材料这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆
10、状、或粉末状压电材料构成的。或粉末状压电材料构成的。12早早在在世世纪纪前前，锡锡兰兰和和印印度度土土著著人人就就已已经经注注意意到到电电气气石石的的特特殊殊性性质质，当当电电气气石石投投入入热热的的灰灰烬烬当当中中时时，这这种种晶晶体体能能够够吸吸引引小小块块灰灰烬烬而而又又在在几几分钟之后排斥掉它们。分钟之后排斥掉它们。十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。1756年年，德德国国物物理理学学家家Aepinus（电电容容器器发发明明者者）研研究究电电气气石石产产生生电电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。
11、的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。1824年年，苏苏格格兰兰物物理理学学家家D.Brewster将将这这种种产产生生电电的的行行为为称称为为热热电电性。性。1817年，法国矿物学家年，法国矿物学家RenJustHeuy第一次提到了压电效应。第一次提到了压电效应。1880年年，法法国国物物理理学学家家居居里里兄兄弟弟发发现现石石英英具具有有压压电电性性：当当重重物物放放在在石石英英晶晶体体上上，晶晶体体某某些些表表面面会会产产生生电电荷荷，电电荷荷量量与与压压力力成成比比例例。他他们们所所报报导导的的这这些些晶晶体体中中就就有有后后来来广广为为研研究究的的罗罗息息盐盐(酒酒石石酸酸钾
12、钾钠钠NaKC4H4O64H2O)。二、压电材料的历史二、压电材料的历史131881年年李李普普曼曼(G.Lippman)根根据据能能量量守守恒恒和和电电荷荷量量守守恒恒的的原原理理，推推测测逆逆压压电电效效应应(Converse piezoelectric effect)的的存存在在，这这一一预预言很快就被居里兄弟用实验所证实。言很快就被居里兄弟用实验所证实。1916年年朗朗之之万万(Langevin)用用压压电电石石英英晶晶体体作作成成水水下下发发射射和和接接收收换换能器，这是最早的压电换能器，并用于探测水下的物体。能器，这是最早的压电换能器，并用于探测水下的物体。1917年年 美美国国贝
13、贝尔尔（Bell）实实验验室室的的A.M.Nicolson制制成成压压电电拾拾音音器和扬声器，并在器和扬声器，并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。年取得压电晶体管振荡器的专利。1918 年年 卡卡迪迪（Cady）研研究究了了罗罗息息盐盐晶晶体体在在机机械械谐谐振振频频率率特特有有的的电性能。电性能。1919年年用用罗罗息息盐盐制制成成了了电电声声组组件件，这这为为压压电电材材料料在在通通讯讯技技术术和和频频率率控控制制等等方方面面的的应应用用研研究究奠奠定定了了基基础础。随随后后罗罗息息盐盐又又在在滤滤波波器器、换换能器和声纳等方面获得了应用。能器和声纳等方面获得了应用。14n1947年
14、年美美国国的的Roberts发发现现了了钛钛酸酸钡钡（BaTiO3）的的压压电电性性，使使得得多多晶晶材材料料得得到到发发展展。获获得得压压电电性性所所需需的的极极性性可可以以通通过过暂暂时时施施加加电电场场的方法，从一块各项同性的多晶陶瓷得到。的方法，从一块各项同性的多晶陶瓷得到。n采采用用BaTiO3压压电电陶陶瓷瓷制制成成了了拾拾音音器器，钛钛酸酸钡钡陶陶瓷瓷的的发发现现是是压压电电材材料料发发展展的的一一个个飞飞跃跃，至至此此，压压电电材材料料形形成成了了两两大大类类：压压电电单单晶晶材材料料及压电陶瓷材料。及压电陶瓷材料。n1969年年发发现现聚聚偏偏氟氟乙乙烯烯薄薄膜膜制制程程的的
15、驻驻极极体体具具有有优优良良的的压压电电性性后后，聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。n之之后后，又又经经过过近近六六十十多多年年的的发发展展，压压电电材材料料已已经经从从最最初初的的压压电电晶晶体体，发发展展到到压压电电陶陶瓷瓷、进进而而发发展展到到压压电电聚聚合合物物以以及及压压电电陶陶瓷瓷/聚聚合合物物复复合合材料。材料。15压电式发电器装置从环境中吸取机械能，转换成电能驱动压电式发电器装置从环境中吸取机械能，转换成电能驱动微机电系统。微机电系统。早早在在1984年年，美美国国科科学学家家将将PVDF薄薄片片安安置置在在生生物物体体上上，以以生生物
16、物体体呼呼吸吸时时肋肋骨骨伸伸张张运运动动所所产产生生的的能能量量作作为为研研究究基基础础，将将生生物物体体运运动动时时产产生生的的能能量量转转换换为为电电能能，驱驱动动外外部部设设备备。压压电电式式发发电电器器装装置置固固定定在在狗狗肋肋骨骨上上，利利用用狗狗的的自自然然呼呼吸吸可可产产生生18V电电压压，能能量量17uW。优优化化PVDF压压电电换换能能元元件件形形状状，同同时时设设计计更更适适合合贴贴在在动动物物肋肋骨骨上上的辅助设备，最终测试发现输出能量能够达到的辅助设备，最终测试发现输出能量能够达到1mW。1996年年，英英国国科科学学家家试试验验分分析析发发现现发发电电器器装装置置
17、内内部部的的压压电电陶陶瓷瓷发发电电总总量量与与其其变变形形频频率率的的立立方方成成正正比比。此此发发电电器器装装置置，在在70Hz的的振振动动频频率率下下产产生生1uW的的能能量量，在在振振动动激激励励为为330Hz的的情情况况下下产产生生0.1mW能量。能量。16q1998年年，美美国国麻麻省省理理工工大大学学科科学学家家Kymissis将将压压电电式式发发电电器器装装置置以以不不同同方方式式安安置置入入鞋鞋中中，收收集集人人行行走走过过程程中中所所丢丢失失的的能能量量。安安置置压压电电冲冲击击式式装装置置在在鞋鞋后后跟跟处处，同同时时安安装装一一个个PVDF材材料料的的薄薄板板在在鞋鞋子
18、子的的前前鞋鞋底底处处。测测试试发发现现压压电电式式冲冲击击机机构构产产生生峰峰值值电电能能为为80mW，PVDF材材料料峰峰值值电电能能达达到到20mW，电电磁磁式式机机构构峰峰值值电电能能为为20mW。由由于于外外界界激激励励缓缓慢慢，PVDF装装置置和和冲冲击击式式压压电电装装置置的的平平均均电电能能都都很很低低，电电磁磁式式结结构构不不易易实实现现，安安装装在在鞋鞋子子里里很很困困难难，并受步伐影响。并受步伐影响。q此此研研究究证证明明了了压压电电发发电电装装置置在在自自身身供供能能系系统统中中应应用用的的可可行行性性，表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。表现出了吸收外界能量应用
19、于传送数据的能力。17三、压电转换机理三、压电转换机理1.1.压电单晶的转换机理压电单晶的转换机理晶体晶体存在对称中心存在对称中心，晶体晶体发生形变后仍保持极化强发生形变后仍保持极化强度为零，度为零，无无压电效应。压电效应。由由于于石石英英晶晶体体不不存存在在对对称称中中心心，当当给给晶晶体体施施加加压压力力时时，产产生生极极化化后后某某一一方方向向出出现现剩剩余偶极矩余偶极矩。183232种点群种点群晶体晶体不具有对不具有对称中心的称中心的晶体晶体（2121）极性晶体极性晶体（1010）压电效应压电效应热释电热释电铁电铁电非极性晶非极性晶体（体（1111）压电效应压电效应（1010种）种）具
20、有对称中具有对称中心的晶体心的晶体（1111）按照晶体的宏观对称性，晶体可分为：七大晶系、按照晶体的宏观对称性，晶体可分为：七大晶系、32种点种点群，其中群，其中21种点群没有对称中心，其中种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效种点群具有压电效应。应。19单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即即无无对对称中心称中心的晶体的晶体并不并不能能保证保证都都有压电性有压电性。产生机理：产生机理：晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用晶体内部正负离子的偶极矩在外力的
21、作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电偶极矩。剩余电偶极矩。总结：单晶压电效应总结：单晶压电效应20压压电电陶陶瓷瓷的的压压电电效效应应机机理理与与压压电电单单晶晶大大不不相相同同，未未经经极极化化处处理理的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料是是不不会会产产生生压压电电效效应应的的。压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体，人人工工制制造造多多晶晶材材料料，它它具具有有电电畴畴结结构构在在无无外外电电场场作作用用时时，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂
22、杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。）。直流电场直流电场E剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前极化处理前(b)极化处理中极化处理中(c)极化处理后极化处理后2.压电多晶转换机理（自发极化）压电多晶转换机理（自发极化）21 电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因？测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因？极化后，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出
23、现负束缚电极化后，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷，由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外荷，由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图的自由电荷示意图剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长(c
24、)极化处理后极化处理后22 如如果果在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F，如如图图，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变（图图中中虚虚线线），片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释释放放，而而出出现现放放电电荷荷现现象象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状(这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程)，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因因此此
25、电电极极上上又又吸吸附附一一部部分分自自由由电电荷荷而而出出现现充充电电现现象象。这这种种由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应，就就是是正正压电效应。压电效应。极化方向极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）代表形变后的情况）F正压电效应示意图正压电效应示意图（实线代表无外力情况，（实线代表无外力情况，虚线代表加外力的情况）虚线代表加外力的情况）2324 同同样样，若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，如如图图，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相
26、相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，就就是是说说，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图图中中虚虚线线）。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于电电效效应应而而转转变变为为机机械械效效应应或或者者由由电电能能转转变变为为机机械械能的现象，就是逆压电效应。能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，（实线代表形
27、变前的情况，虚线代表形变后的情况）虚线代表形变后的情况）极极化化方向方向电电场场方方向向压电陶瓷的压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极压电陶瓷的压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化，这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向化，这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向排列的结果，即排列的结果，即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余极化强度。极化强度。外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电效应。效应。在陶瓷中产生的放电或充电现象
28、，是通过陶瓷内部在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部束缚电荷极化强度的变化，引起电极表面上外界自由束缚电荷极化强度的变化，引起电极表面上外界自由电荷的释放或补充。电荷的释放或补充。总结：压电陶瓷的压电效应总结：压电陶瓷的压电效应25压电效应产生的应变与电场成正比，当电场反向压电效应产生的应变与电场成正比，当电场反向时，应变改变符号，即正向电场使试样伸长，反时，应变改变符号，即正向电场使试样伸长，反向电场使试样缩短。向电场使试样缩短。电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比，电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比，当电场反向时，应变不改变符号，即无论正向电当电场反向时，应变不改变符号，
29、即无论正向电场或反向电场均使试样伸长（缩短）。场或反向电场均使试样伸长（缩短）。逆压电效应逆压电效应电致伸缩电致伸缩SE226对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：转换性能。要求机械能与电能转换效率高。转换性能。要求机械能与电能转换效率高。机机械械性性能能。压压电电元元件件作作为为受受力力元元件件，希希望望它它的的机机械械强强度度高高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电电性性能能。希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以减减弱弱外外部部分分布电容的影响并获得良好的低频特性。布电容的影响并获得良好的低频特性
30、。环环境境适适应应性性强强。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，要要求求具具有有较较高高的的居里点，获得较宽的工作温度范围。居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。四、压电材料的性能参数四、压电材料的性能参数27 作为介电材料：可可用用介介电电系系数数，介介电电损损耗耗tgtg，绝缘电阻率，绝缘电阻率和介电强度和介电强度E Eb b等表征。等表征。作为压电材料：极极化化处处理理以以后后才才具具有有压压电电性性，但但对对外外表表现现为为各各向向异异性性，也也就就是是说说各各项项性性能能参参数数在在不不同同方方向向上上表表现
31、现为为不不同同的的数数值值。这这使使得得其其表表征征性性能能的参数比各向同性材料的要多得多。的参数比各向同性材料的要多得多。一些参数：一些参数：压电系数压电系数d d 压电电压系数压电电压系数g g 机电耦合系数机电耦合系数k k 机械品质因素机械品质因素Q Qm m 频率系数频率系数N N281、压电系数压电系数d ：单位机械应力单位机械应力T所产生的极化强度所产生的极化强度常常用用的的为为横横向向压压电电系系数数d31和和纵纵向向压压电电系系数数d33（脚脚标标第第一一位位数数字字表表示示压压电电陶陶瓷瓷的的极极化化方方向向；第第二位数字表示机械振动方向）。二位数字表示机械振动方向）。d=
32、P/T（C/N）压压电电常常数数是是力力学学量量（应应力力或或应应变变）与与电电学学量量（电电位位移移或或电电场场）间间相相互互耦耦合合的的线线性性响响应应系系数数。直直接接反反映映了了材材料料压压电电效效应的强弱。越大越好应的强弱。越大越好或：单位电场强度或：单位电场强度V/xV/x所产生的应变所产生的应变x/x x/x 292 2、压电电压系数压电电压系数g g：单位应力单位应力T T所产生的电场强度所产生的电场强度E E；或单位电荷所产生的形变。；或单位电荷所产生的形变。（Vm/N）d d和和g g在在不不同同的的角角度度反反映映了了材材料料的的压压电电性性能能，d d用用得得较较为为普
33、普遍遍，g g常常用用于于接接收收型型换换能能器器、拾拾音音器器，高高压压发生器等场合。发生器等场合。对于由机械应力而产生电压对于由机械应力而产生电压(如压电传感器如压电传感器)的材料的材料来说，希望具有高的压电电压常数。来说，希望具有高的压电电压常数。303、机电耦合系数、机电耦合系数k或或机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，它与材料，它与材料的压电系数、的压电系数、和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能
34、、声波等形式损失或向周围介质传播，因而失或向周围介质传播，因而k总是小于总是小于1的。的。与其形状和振动模式有关，不同振动模式将有相应的机电耦合与其形状和振动模式有关，不同振动模式将有相应的机电耦合系数：系数：如对薄圆片如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为径向伸缩模式的耦合系数为K Kp p（平面耦合系数）；（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K K3131（横向耦合系数）；（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为耦合系数为K K3333（纵向耦合系数）等。（纵向耦合系数）等。31KpK33KtK15K31324、机械品质
35、因数、机械品质因数Qm 压电陶瓷在振动时，由于必须克服晶格形变等内磨擦效压电陶瓷在振动时，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。应而消耗部分能量，即产生机械损耗。QmQm便是描述这种能量便是描述这种能量损耗的参数，机械品质因数损耗的参数，机械品质因数Q Qm m的定义式是：的定义式是：机械品质因数的存在表明任何压电材料都不可能把输入机械品质因数的存在表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全部用于输出。的机械能全部用于输出。机械品质因数机械品质因数Q Qm m是是反映能量消耗大反映能量消耗大小小的一个参数。的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。越大，能量消耗越小。
36、335、频率常数、频率常数N 对给定压电振子，其谐振频率和振子振动方向长对给定压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即度的乘积为一个常数，即频率常数频率常数N N。只与材料性质。只与材料性质相关，相关，这是选择确定压电陶瓷的重要参数。这是选择确定压电陶瓷的重要参数。N=fN=fr rl l其中：其中：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N Np p=f=fr rD D薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动N Nt t=f=fr rt t细长棒细长棒K K3333振动振动N N3
37、333=f=fr rl l薄板切变薄板切变K K1515振动振动N N1515=f=fr rl lt tD D为圆片的直径为圆片的直径t t为薄板的厚度为薄板的厚度l l为棒的长度为棒的长度l lt t为薄板的厚度为薄板的厚度346、相对介电常数、相对介电常数不不同同用用途途的的压压电电元元件件对对相相对对介介电电常常数数要要求求也也不不相相同同。通通常常压压电元件在高频状态工作时，相对介电常数电元件在高频状态工作时，相对介电常数要小，反之要大一些，要小，反之要大一些，由由于于压压电电发发电电器器装装置置通通常常工工作作在在超超声声波波频频率率范范围围内内，故故常常取取1500。7、弹性常数、
38、弹性常数s压压电电陶陶瓷瓷材材料料也也是是一一种种弹弹性性体体，在在弹弹性性极极限限范范围围之之内内，受受力力与与变变形形成成正正比比。它它反反映映压压电电陶陶瓷瓷弹弹性性变变形形的的能能力力。其其值值定定义义为为(在线性弹性变形之内在线性弹性变形之内)8、工作条件参数、工作条件参数限限定定压压电电陶陶瓷瓷工工作作范范围围或或规规定定工工作作条条件件的的参参数数，居居里里温温度度Tc压压电电陶陶瓷瓷在在某某一一温温度度以以下下方方具具有有压压电电性性，其其临临界界温温度度点点称称为居里温度为居里温度Tc。35五、典型的压电材料五、典型的压电材料压电晶体：压电晶体：q压电石英晶体压电石英晶体水晶
39、：性能很稳定，水晶：性能很稳定，居里点温度高（高达居里点温度高（高达573573）。广泛用作标准频率控制的振子和滤波器，以及换能器用。广泛用作标准频率控制的振子和滤波器，以及换能器用大功率发射器。大功率发射器。q铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3)：特点是居里温度高，达：特点是居里温度高，达1210oC，并且在很高，并且在很高的温度范围内压电性能随温度变化很小，可在高温下工作的温度范围内压电性能随温度变化很小，可在高温下工作-1050，以及良好的机械性能和化学稳定性，在超声技术中得到广泛应用。，以及良好的机械性能和化学稳定性，在超声技术中得到广泛应用。q罗罗息息盐盐(酒酒石石酸酸钾钾钠钠NaKC4H
40、4O64H2O)：从从其其上上第第一一次次发发现现了了铁铁电电性性：压压电电性性高高、制制做做方方便便、价价格格便便宜宜。优优点点是是压压电电性性高高，水水晶晶的的1000倍倍。缺缺点点是是性性能能不不稳稳定定，机机械械性性能能差差。它它在在湿湿度度高高于于85潮潮解解。在在温温度度高高于于55时时分分解解成成酒酒石石酸酸纳纳和和酒酒石石酸酸钾钾。目目前前应应用很少。用很少。q磷酸二氢铵晶体：性能较稳定、机械性能较好，但湿度超过磷酸二氢铵晶体：性能较稳定、机械性能较好，但湿度超过93时潮解。故已基本不用。时潮解。故已基本不用。36q钛钛酸酸钡钡（BaTiO3)压压电电陶陶瓷瓷：最最先先制制成成
41、、并并广广泛泛应应用用的的压压电电陶陶瓷瓷。除除罗罗息息盐盐外外，其其机机电电偶偶合合系系数数最最高高，但但性性能能较较罗罗息息盐盐稳稳定定，能能在在较较大大的的温温度度范范围围内内工工作作。其其缺缺点点是是居居里里点点较较低低，约约为为115，并并且且还还有有两两个个相相变变点点，这这样样其其机机电电性性能能很很不不稳稳定定。经经过过组组成成改改性性，使使其其性性能能得得到到改改善善，至至今今仍仍得得到到较较多多应应用。用。q钛钛锆锆酸酸铅铅（PbZr0.53Ti0.47O3)：特特点点是是居居里里温温度度高高，达达1210，并并且且在在很很高高的的温温度度范范围围内内压压电电性性能能随随温
42、温度度变变化化很很小小，可可在在高高温温下下工工作作1050，以以及及良良好好的的机机械械性性能能和和化化学学稳稳定定性，在超声技术中得到广泛应用。性，在超声技术中得到广泛应用。压电陶瓷：压电陶瓷：压电高分子材料：压电高分子材料：压电复合材料：压电复合材料：37六、压电材料的应用（一）压电式传感器（一）压电式传感器（二）压电变压器（二）压电变压器（三）超声测速（三）超声测速（四）压电发电器（四）压电发电器38（一）压电传感器（一）压电传感器用用压压电电陶陶瓷瓷制制成成的的传传感感器器可可用用来来检检测测微微弱弱的的机机械械振振动动并并将将其其转转换换为为电电信信号号，可可应应用用于于声声纳纳系
43、系统统、气气象象探探测测、遥遥感感遥遥测测、环环境境保保护护、家家用用电电器器。如如汽汽车车上上测测量量气气压压、发发动动机机内内部部燃燃烧烧压力和真空度。压力和真空度。39压电变压器 压电变压器的外形与结构示意图-n压电变压器外形n压电变压器结构压电变压器结构（二）压电变压器40正压电效应正压电效应的应用主要用于的应用主要用于燃气点火器燃气点火器，基本工作原理是：，基本工作原理是：由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压并形成放电火花，点燃可燃气体；高压并形成放电火花，点燃可燃气体；压压电电陶陶瓷
44、瓷变变压压器器的的基基本本构构成成则则是是将将一一压压电电蜂蜂鸣鸣器器的的应应用用与与一一压压电电点点火火器器的的应应用用组组合合起起来来。根根据据压压电电陶陶瓷瓷变变压压器器的的结结构构不不同同，可可以以是是升升压压型型，也也可可以以是是降降压压型型。如如：输输入入端端施施加加一一定定频频率率的的低低压压，由由逆逆压压电电效效应应在在变变压压器器内内部部首首先先将将电电能能转转换换为为机机械械能能纵纵驻驻波波传传播播，然然后后变变压压器器输输出出端端再再将将机机械械能能转转换换为电能，产生一定频率的高压，从而实现升压过程。为电能，产生一定频率的高压，从而实现升压过程。压电变压器工作原理压电变
45、压器工作原理逆压电效应逆压电效应的应用主要用于的应用主要用于压电蜂鸣器压电蜂鸣器，基本工作原理为：，基本工作原理为：当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。应用此特性制造谐振器、滤波器等电子元件。在音频范围内就会发出声音。应用此特性制造谐振器、滤波器等电子元件。41压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）输入端输入端极化方向极化方向极化方向极化方向驱动部分驱动部分发电部分发电部分振动方向振动方向输出端输出端twl/2tw421、原理、原理超声波产生和接收超声波产生和接收
46、发射和接收超声波的器件：压电陶瓷发射和接收超声波的器件：压电陶瓷在在发射压电陶瓷发射压电陶瓷上加交变电压，则产上加交变电压，则产生纵向机械振动，产生超声波（生纵向机械振动，产生超声波（逆压逆压电效应）电效应）.接收压电陶瓷接收压电陶瓷接收到超声波后，产生接收到超声波后，产生电信号。（正电信号。（正压电效应）。压电效应）。n超声波单色性好，方向性强，波长较超声波单色性好，方向性强，波长较短，故用超声波作声源，声速测量精短，故用超声波作声源，声速测量精确度较高。确度较高。固定固定超声波发射头超声波发射头可移动可移动超声波接收头超声波接收头底座底座标尺标尺刻度刻度鼓轮鼓轮声速测量仪简图声速测量仪简图
47、（三）超声测速（三）超声测速2、声速原理、声速原理 V=f （f：声源振动频率，直接由函数发生器读出。：声源振动频率，直接由函数发生器读出。：声：声波波长，驻波振幅极值法和相位比较法测量。）波波长，驻波振幅极值法和相位比较法测量。）43q机械能在日常环境中普遍存在，与其它能量相比便于利用。因此机械发电机械能在日常环境中普遍存在，与其它能量相比便于利用。因此机械发电器是目前研究较多的一种环境能量收集方案。根据能量转换得机械结构，可器是目前研究较多的一种环境能量收集方案。根据能量转换得机械结构，可以将其分两类。第一类就是利用质量块的振动或位移来将机械能转换为电能，以将其分两类。第一类就是利用质量块
48、的振动或位移来将机械能转换为电能，或者称之为惯性转换。如：电磁感应、静电效应。第二类结构是非惯性转换，或者称之为惯性转换。如：电磁感应、静电效应。第二类结构是非惯性转换，即外界施加的压强被转换为压电材料的弹性能，利用压电效应转换为电能。即外界施加的压强被转换为压电材料的弹性能，利用压电效应转换为电能。q在机械发电器的研究中，压电转换方式具有很多优点，首先它可以直接产在机械发电器的研究中，压电转换方式具有很多优点，首先它可以直接产生合适的电压，其次它不像静电转换那样需要初始电压。此外，它没有结构生合适的电压，其次它不像静电转换那样需要初始电压。此外，它没有结构设计限制，从理论上说它的机械阻尼系数
49、可以设计得比较小。同时压电式发设计限制，从理论上说它的机械阻尼系数可以设计得比较小。同时压电式发电器装置没有电磁干扰等。压电式发电器装置在微电子设备无源化的研究中，电器装置没有电磁干扰等。压电式发电器装置在微电子设备无源化的研究中，压电能量的储存和应用是目前研究的焦点。压电能量的储存和应用是目前研究的焦点。（四）压电发电器（四）压电发电器44压电振荡器压电振荡器用于加湿机，医疗雾化等领域。雾气出口水箱压电振子水雾风机453.2热释电性热释电性一、概述一、概述二、基本原理二、基本原理三、性能参数三、性能参数四、典型的热释电材料四、典型的热释电材料五、应用五、应用46定义：具有自发极化的晶体的自发
50、极化强度随温度定义：具有自发极化的晶体的自发极化强度随温度改变的现象，这一现象称为改变的现象，这一现象称为热释电效应。热释电效应。当当外外加加电电场场施施加加于于热热释释电电晶晶体体时时，电电场场的的改改变变会会引引起晶体温度变化，这种现象称为起晶体温度变化，这种现象称为电卡效应。电卡效应。不具有对称中心的晶体（21）极性晶体（10）压电效应热释电铁电非极性晶体（11）压电效应（10种）一、概述一、概述47产生条件：极性晶体（具有特殊极性方向的晶体）产生条件：极性晶体（具有特殊极性方向的晶体）一一定定是是具具有有自自发发极极化化的的晶晶体体，且且在在结结构构上上应应具具有有极极轴轴。所所谓谓极