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压电陶瓷的性能参数
作者:alex 发布日期:2017-10-09
压电陶瓷的性能参数
无论是生产还是应用一种压电元件,都希望选择适合元件要求的优质压电陶瓷,通常是选定一些能反映材料性能的参数来衡量材料是否满足要求。这些参数的大小即标志材料在某一方面性能的优劣。由于压电材料除了具有介电性质和弹性性质外,还具有压电性质。所以反映压电材料性质的参数特别多,其主要相关参数如下:
介电性质方面的参数包括介电常数和介质损耗;
弹性性质方面的参数包括弹性常数和机械品质因子;
压电性质方面的参数包括压电常数和机电耦合系数。
此外,还有居里温度、频率常数等工作条件参数。
(1)介电常数ε 介电常数反映材料的介电性质或极化性质。不同用途的压电元件对材料介电常数要求也不相同。通常压电元件在高频状态工作时,介电常数ε 要小,反之要大一些,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:
ε=Ct/A (2-1)
式中 C——电容(F);
A——电极面积(m2);
t——电极间距离(m)
(2)介质损耗压电元件在交变电压,工作一段时间要发热。通常把在交流电压作用下,在单位时间内因发热而消耗的电能,称为介质损耗。大功率换能器要求材料的介质损耗非常小,否则在工作中会由于剧烈发热而损坏换能器。
引起介质损耗的主要原因是介质中存在损耗电阻Rn。在交变电压作用下,压电元件可用图2-3 的RC并联电路来表示。只有通过损耗电阻的分路电流IR才消耗能量,通过电容的分路电流IC不消耗能量。通常用IR和IC的比值来代表介质损耗,即与总电流的夹角的正切值:
压电陶瓷片
当tanδ 小时, IR也小,表明介质损耗小;当tanδ 大时, IR也大,表明介质损耗大。
压电陶瓷片
图2-3 压电元件的等效电路
Fig. 2-3 The equivalent circuit of piezoelecric element
(3)弹性常数压电陶瓷材料在弹性极限范围之内,受力与变形成正比,而弹性常数就是反映材料的弹性性质的参数。压电陶瓷材料中用得最多的弹性常数是弹性柔顺常数,常用s 表示。在零电场强度的条件下由材料所受的应力σ 和产生的应变S 确定,其关系为:
S = sσ (2-3)
(4)机械品质因子 机械品质因子Qm 表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小。产生机械损耗的原因是材料存在内摩擦。当压电元件振动时,要克服摩擦而消耗能量。Qm越大,机械损耗越小,所以制作压电叠堆的陶瓷材料需要有较大的Qm值。
(5)压电常数压电常数反映压电材料“压”与“电”之间的耦合效应,所以,压电常数与机械边界条件和电学边界条件都有关系。其中用得最多的是压电应变常数d,根据边界条件的不同,有两种方法来定义常数d。
当电场强度E 为常数,即压电元件的两个电极短路条件下,压电常数d 与电位移D、应力σ 之间的关系为:
d = D σ (2-4)
当压电元件两端处于机械自由的条件下,压电常数d 与电场E、应变s 之间的关系为:
d = s E (2-5)
(6)机电耦合系数这是表示压电体中机械能与电能之间相互耦合程度的一个参数,是衡量压电性能优劣的一个综合物理量。它的意义为:
k 2 =通过压电效应转换的能量/输入的能量 (2-6)
(7)工作条件参数这是限定压电陶瓷工作范围或规定工作条件的一类参数,包括:
居里温度Tc——压电陶瓷在某一温度以下方具有压电性,其临界温度点称为居里温度Tc;
频率常数Nl——压电陶瓷尺寸与谐振频率乘积为常数,称为频率常数Nl。

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