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壓電陶瓷之性能參數

生產任何一種壓電元件,都希望選擇適合元件要求的優質壓電材料,靠什么來識別材料性能的優劣?通常是選定一些能反映材料性能的參數,這些參數的大小即標志材料性能的優劣。由于壓電材料除了具有介電性質和彈性性質外,還具有壓電性質。所以反映壓電材料性質的參數就特別多,例如;

介電性質方面有:介電常數、介質損耗。

彈性性質方面有:彈性常數、機械品質因子。

壓電性質方面有:壓電常數、機械耦合系數。

此外,還有居里溫度、頻率常數、密度以及與老化性能和溫度性能有關的參數等。現分別介紹如下:

1. 介電常數

介電常數反映材料的介電性質,或者說反映材料的極化性質,通常用ε來表示介電常數。不同用途的壓電元件,對材料的介電常數的要求也不相同。例如,陶瓷揚聲器、送話器等要求材料的介電常數大一些好;高頻壓電元件則要求材料的介電常數小一些好。壓電陶瓷的介電常數,隨配方、工藝條件的不同而差別很大。

2. 介質損耗

壓電元件在交變電壓的作用下,工作一段時間后要發熱。這表明,壓電元件工作時,總有一部分電能要轉變成熱量。通常把在交流電壓作用下,在單位時間內因發熱而損耗的電能稱為介質損耗。介質損耗是電介質的重要品質指標之一。例如,大功率換能器就要求材料介質損耗非常小,否則在工作中會由于劇烈發熱而使換能器損壞。

引起介質損耗的原因是多方面的。在壓電陶瓷中,主要原因有:

(1) 外加電壓變化時,陶瓷內部的極化狀態也要隨之發生變化。當陶瓷內極化狀態的變化跟不上外加電壓的變化時,就要出現滯后現象,引起介質損耗。

(2) 由于陶瓷內存在漏電流而引起介質損耗。

(3)由于工藝不完善,使陶瓷結構不均勻而引起介質損耗。

3. 彈性常數

任何物體在外力作用下,都要發生不同程度的彈性形變,而彈性常數就是反映材料的彈性性質的參數。壓電材料中用得最多的彈性常數是彈性柔順常數,常用s表示。

4.機械品質因子

機械品質因子Qm表示陶瓷材料在諧振時機械損耗的大小,是衡量壓電材料性能的另一重要參數。產生機械損耗的原因是材料存在的內摩擦。當壓電元件振動時,要克服摩擦而消耗能量。Qm與機械損耗成反比,Qm 大表示材料的機械損耗小;Qm小表示材料的機械損耗大。一般陶瓷的Qm因配方和工藝條件的不同而差別很大。例如,鋯鈦酸鉛陶瓷材料的Qm 可在50~3000之間。

5. 壓電常數

壓電常數是壓電材料所特有的一種參數,它反映材料“壓”與“電”之間的耦合效應。所以,壓電常數不僅與機械邊界條件有關,而且與電學邊界條件有關;或者說,不僅與應力、應變有關,而且與電場強度、電位移有關。

6.機電耦合系數

機電耦合系數k是綜合反映壓電材料性能的參數,它表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應,是生產上用得最多的一個參數。由于壓電元件的機械能與它的形狀和振動方式有關,因此不同形狀和不同振動方式所對應的機電耦合系數也不相同。機電耦合系數無單位。

7.頻率常數

壓電元件的諧振頻率與沿振動方向的長度的乘積為一常數,稱為頻率常數N (kH·m) 。

由此可見,壓電元件的頻率常數只與材料的性質有關,與元件的外形尺寸大小無關。若知道材料的頻率常數,即可根據所要求的頻率來設計元件的外形尺寸。此外,還可以通過上式來計算材料的楊氏模量。


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