壓電材料簡(jiǎn)介及其技術(shù)參數

壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì )在兩端面間出現電壓的晶體材料。1880年，法國物理學(xué)家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì )產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現象被稱(chēng)為壓電效應。隨即，居里兄弟又發(fā)現了逆壓電效應，即在外電場(chǎng)作用下壓電體會(huì )產(chǎn)生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱(chēng)性較低，當受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發(fā)生宏觀(guān)極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì )出現異號電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì )因電荷中心的位移導致材料變形。

壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來(lái)制作智能結構，此類(lèi)結構除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來(lái)的飛行器設計中占有重要的地位。

壓電材料的技術(shù)參數：

壓電系數d33

壓電系數是壓電體把機械能轉變成電能或把電能轉變成機械能的轉變系數，反應壓電材料彈性與介電之間的耦合關(guān)系

自由介電常數εT33（free permittivity）

電介質(zhì)在應變?yōu)榱悖ɑ虺担r(shí)的介電常數，其單位為法拉/米。

相對介電常數εTr3（relative permittivity）

介電常數εT33與真空介電常數ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一個(gè)無(wú)因次的物理量。

介質(zhì)損耗（dielectric loss）

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由于電極化弛豫過(guò)程和漏導等原因在電介質(zhì)內所損耗的能量。

損耗角正切tgδ（tangent of loss angle）

理想電介質(zhì)在正弦交變電場(chǎng)作用下流過(guò)的電流比電壓相位超前90 0，但是在壓電陶瓷試樣中因有能量損耗，電流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）稱(chēng)為損耗角，它是一個(gè)無(wú)因次的物理量，人們通常用損耗角正切tgδ來(lái)表示介質(zhì)損耗的大小，它表示了電介質(zhì)的有功功率（損失功率）P與無(wú)功功率Q之比。即： 電學(xué)因數Qe（electrical quality factor）

電學(xué)因數的值等于試樣的損耗角正切值的倒數，用Qe表示，它是一個(gè)無(wú)因次的物理量。若用并聯(lián)等效電路表示交變電場(chǎng)中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR

機械因數Qm（mechanical quanlity factor）

壓電振子在諧振時(shí)儲存的機械能與在一個(gè)周期內損耗的機械能之比稱(chēng)為機械因數。它與振子參數的關(guān)系式為：泊松比（poissons ratio）

泊松比系指固體在應力作用下的橫向相對收縮與縱向相對伸長(cháng)之比，是一個(gè)無(wú)因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11

串聯(lián)諧振頻率fs（series resonance frequency）

壓電振子等效電路中串聯(lián)支路的諧振頻率稱(chēng)為串聯(lián)諧振頻率，用f s 表示，即

并聯(lián)諧振頻率fp（parallel resonance frequency）

壓電振子等效電路中并聯(lián)支路的諧振頻率稱(chēng)為并聯(lián)諧振頻率，用f p 表示，即f p = 諧振頻率fr（resonance frequency）

使壓電振子的電納為零的一對頻率中較低的一個(gè)頻率稱(chēng)為諧振頻率，用f r 表示。

反諧振頻率fa（antiresonance frequency）

使壓電振子的電納為零的一對頻率中較高的一個(gè)頻率稱(chēng)為反諧振頻率，用f a 表示。

大導納頻率fm（maximum admittance frequency）

壓電振子導納大時(shí)的頻率稱(chēng)為大導納頻率，這時(shí)振子的阻抗小，故又稱(chēng)為小阻抗頻率，用f m表示。

小導納頻率fn（minimum admittance frequency）

壓電振子導納小時(shí)的頻率稱(chēng)為小導納頻率，這時(shí)振子的阻抗大，故又稱(chēng)為大阻抗頻率，用f n表示。

基頻（fundamental frequency）

給定的一種振動(dòng)模式中低的諧振頻率稱(chēng)為基音頻率，通常成為基頻。

泛音頻率（fundamental frequency）

給定的一種振動(dòng)模式中基頻以外的諧振頻率稱(chēng)為泛音頻率。

溫度穩定性（temperature stability）

溫度穩定性系指壓電陶瓷的隨溫度而變化的特性。

在某一溫度下，溫度變化1℃時(shí)，某頻率的數值變化與該溫度下頻率的數值之比，稱(chēng)為頻率的溫度系數TKf。

另外，通常還用大相對漂移來(lái)表征某一參數的溫度穩定性。

正溫大相對頻移=△f s (正溫大)/ f s(25℃)

負溫大相對頻移=△f s (負溫大)/ f s(25℃)

機電耦合系數（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）

機電耦合系數K是彈性一介電相互作用能量密度平方V122與貯存的彈密度V1與介電能密度V2乘積之比的平方根。

壓電陶瓷常用以下五個(gè)基本耦合系數

A、平面機電耦合系數KP（反映薄圓片沿厚度方向極化和電激勵，作徑向伸縮振動(dòng)時(shí)機電耦合效應的參數。）

B、橫向機電耦合系數K31（反映細長(cháng)條沿厚度方向極化和電激勵，作長(cháng)度伸縮振動(dòng)的機電耦合效應的參數。）

C、縱向機電耦合系數K33（反映細棒沿長(cháng)度方向極化和電激勵，作長(cháng)度伸縮振動(dòng)的機電耦合效應的參數。）

D、厚度伸縮機電耦合系數KT（反映薄片沿厚度方向極化和電激勵，作厚度方向伸縮振動(dòng)的機電效應的參數。）

E、厚度切變機電耦合系數K15（反映矩形板沿長(cháng)度方向極化，激勵電場(chǎng)的方向垂直于極化方向，作厚度切變振動(dòng)時(shí)機電耦合效應的參數。）

壓電應變常數D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）

壓電應變常數是在應力T和電場(chǎng)分量EM(M≠I)都為常數的條件下，電場(chǎng)分量E變化所引起的應變分量SI的變化與EI變化之比。

壓電電壓常數G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

該常數是在電位移D和應力分量TN（N≠I）都為常數的條件下，應力分量TI的變化所引起的電場(chǎng)強度分量EI的變化與TI的變化之比。

居里溫度TC(CURIE TEMPERATURE)

壓電陶瓷只在某一溫度范圍內具有壓電效應，它有一臨界溫度TC，當溫度高于TC時(shí)，壓電陶瓷發(fā)生結構相轉變，這個(gè)臨界溫度TC稱(chēng)為居里溫度。

溫度穩定性(TEMPERATURE STABILITY)

指壓電陶瓷的隨著(zhù)溫度變化的特性，一般描述溫度穩定性有溫度系數或大相對漂移二種方法。

十倍時(shí)間老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一參數

頻率常數(FREQUENCY CONSTANT)

對于徑向和橫向長(cháng)度伸縮振動(dòng)模式，其頻率常數為串聯(lián)諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（直徑或長(cháng)度）的乘積。對于縱向長(cháng)度厚度和伸縮切變振動(dòng)模式，其頻率常數為并聯(lián)諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（長(cháng)度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M