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压电陶瓷参数解释(压电陶瓷的性能参数有哪些)

导语:CERADIR压电陶瓷课堂「第二回:性能参数」

上篇我们对压电陶瓷的相关结构进行了初步的认识,本周的CERADIR先进陶瓷知识小课堂要介绍的主题是:压电陶瓷的性能参数。

前言

生产任何一种压电元件,都希望选择适合元件要求的优质压电材料,靠什么来识别材料性能的优劣?通常是选定一些能反映材料性能的参数,这些参数的大小即标志材料性能的优劣。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就特别多,例如;

介电性质方面有:介电常数、介质损耗。

弹性性质方面有:弹性常数、机械品质因子。

压电性质方面有:压电常数、机械耦合系数。

图1.压电陶瓷片via网络

此外,还有居里温度、频率常数、密度以及与老化性能和温度性能有关的参数等。现分别介绍如下:

01介电常数

介电常数反映材料的介电性质,或者说反映材料的极化性质,通常用ε来表示介电常数。不同用途的压电元件,对材料的介电常数的要求也不相同。例如,陶瓷扬声器、送话器等要求材料的介电常数大一些好;高频压电元件则要求材料的介电常数小一些好。压电陶瓷的介电常数,随配方、工艺条件的不同而差别很大。

02介质损耗

部分电能要转变成热量。通常把在交流电压作用下,在单位时间内因发热而损耗的电能称为介质损耗。介质损耗是电介质的重要品质指标之一。例如,大功率换能器就要求材料介质损耗非常小,否则在工作中会由于剧烈发热而使换能器损坏。

引起介质损耗的原因是多方面的。在压电陶瓷中,主要原因有:

(1)外加电压变化时,陶瓷内部的极化状态也要随之发生变化。当陶瓷内极化状态的变化跟不上外加电压的变化时,就要出现滞后现象,引起介质损耗。

(2)由于陶瓷内存在漏电流而引起介质损耗。

(3)由于工艺不完善,使陶瓷结构不均匀而引起介质损耗。

03弹性常数

任何物体在外力作用下,都要发生不同程度的弹性形变,而弹性常数就是反映材料的弹性性质的参数。压电材料中用得最多的弹性常数是弹性柔顺常数,常用s表示。

04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,是衡量压电材料性能的另一重要参数。产生机械损耗的原因是材料存在的内摩擦。当压电元件振动时,要克服摩擦而消耗能量。Qm与机械损耗成反比,Qm 大表示材料的机械损耗小;Qm小表示材料的机械损耗大。一般陶瓷的Qm因配方和工艺条件的不同而差别很大。例如,锆钛酸铅陶瓷材料的Qm 可在50~3000之间。

05压电常数

压电常数是压电材料所特有的一种参数,它反映材料“压”与“电”之间的耦合效应。所以,压电常数不仅与机械边界条件有关,而且与电学边界条件有关;或者说,不仅与应力、应变有关,而且与电场强度、电位移有关。

06机电耦合系数

机电耦合系数k是综合反映压电材料性能的参数,它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应,是生产上用得最多的一个参数。由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关,因此不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。机电耦合系数无单位。

07频率常数

压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的乘积为一常数,称为频率常数N (kH· m) 。

由此可见,压电元件的频率常数只与材料的性质有关,与元件的外形尺寸大小无关。若知道材料的频率常数,即可根据所要求的频率来设计元件的外形尺寸。此外,还可以通过上式来计算材料的杨氏模量。

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