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压电陶瓷的基本概念 三个重要概念 1、自发极化 120℃以下，BaTiO3晶体结构稍有畸变，为四方结构，Ba2+和Ti4+相对于O2-产生了一个位移，结果导致正负电荷中心不重合，产生了极化（自发极化），通常把这种转变温度称为居里温度或居里点（Tc）。 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 三个重要概念 铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小区域，那些自发极化方向相同的区域称为电畴（黑色粗线为畴壁）。 对于自发极化而言，从宏观统计来看，晶体中存在着各个方向的自发极化，它们相互抵消，宏观上对外不呈现极性。 * ppt课件 压电陶瓷基本概念 三个重要概念 2、人工极化 ???? 人工极化就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。下图示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 三个重要概念 3、铁电陶瓷 某些材料在一定温度范围内具有自发极化。而且其自发极化可以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。具有这种特性的陶瓷材料称为铁电陶瓷. Ps单个电畴的极化强度；Pr剩余极化强度；Ec矫顽电场。 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 压电陶瓷的原理：压电效应 压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 压电效应的本质 － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － 极化方向 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Ｅ 电场方向 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 极化方向 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） F － ＋ 逆压电效应示意图 正压电效应本质：机械作用引起介质极化。 逆压电效应的本质：电场作用引起介质极化。 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 气体喷嘴 高压引线 压电振子 磷铜片 压电振子 外壳 叩击机构 正压电效应 压电陶瓷点火示意图 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 节点支承 边缘支承 中心支承 逆压电效应 压电蜂鸣器工作示意图 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。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），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。 图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图 自由电荷 自由电荷 电极 束缚电荷 * ppt课件 压电陶瓷的基本概念 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。 在32种点群的晶体中，只有20种非中心对称点群的晶体才有压电效应。 将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷。 常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。 * ppt课件 石英晶体和压电陶瓷的比较 石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应，压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时，其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。 * ppt课件 压电陶瓷的主要性能参数 压电常数d 介电常数ε 介质损耗tanδ 机电耦合系数Kp 机械品质因数Qm 频率常数N * ppt课件 压电陶瓷的主要性能参数 压电常数d 压电常数是反映力学量（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。其数值的大小直接表征了压电效应的强弱。当沿压电陶瓷的极化方向施加压应力T时，在电极面上就产生电荷D，则有以下关系式： D= dT 式中d单位为库仑/牛顿（C/ N） 这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电场E时成