生產(chǎn)任何一種壓電元件,都希望選擇適合元件要求的優(yōu)質(zhì)壓電材料,靠什么來識別材料性能的優(yōu)劣?通常是選定一些能反映材料性能的參數(shù),這些參數(shù)的大小即標(biāo)志材料性能的優(yōu)劣。由于壓電材料除了具有介電性質(zhì)和彈性性質(zhì)外,還具有壓電性質(zhì)。所以反映壓電材料性質(zhì)的參數(shù)就特別多,例如;
介電性質(zhì)方面有:介電常數(shù)、介質(zhì)損耗。
彈性性質(zhì)方面有:彈性常數(shù)、機械品質(zhì)因子。
壓電性質(zhì)方面有:壓電常數(shù)、機械耦合系數(shù)。
此外,還有居里溫度、頻率常數(shù)、密度以及與老化性能和溫度性能有關(guān)的參數(shù)等?,F(xiàn)分別介紹如下:
1. 介電常數(shù)
介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì),或者說反映材料的極化性質(zhì),通常用ε來表示介電常數(shù)。不同用途的壓電元件,對材料的介電常數(shù)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(shù)大一些好;高頻壓電元件則要求材料的介電常數(shù)小一些好。壓電陶瓷的介電常數(shù),隨配方、工藝條件的不同而差別很大。
2. 介質(zhì)損耗
壓電元件在交變電壓的作用下,工作一段時間后要發(fā)熱。這表明,壓電元件工作時,總有一部分電能要轉(zhuǎn)變成熱量。通常把在交流電壓作用下,在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而損耗的電能稱為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗是電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。例如,大功率換能器就要求材料介質(zhì)損耗非常小,否則在工作中會由于劇烈發(fā)熱而使換能器損壞。
引起介質(zhì)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(nèi)部的極化狀態(tài)也要隨之發(fā)生變化。當(dāng)陶瓷內(nèi)極化狀態(tài)的變化跟不上外加電壓的變化時,就要出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,引起介質(zhì)損耗。
(2) 由于陶瓷內(nèi)存在漏電流而引起介質(zhì)損耗。
(3)由于工藝不完善,使陶瓷結(jié)構(gòu)不均勻而引起介質(zhì)損耗。
3. 彈性常數(shù)
任何物體在外力作用下,都要發(fā)生不同程度的彈性形變,而彈性常數(shù)就是反映材料的彈性性質(zhì)的參數(shù)。壓電材料中用得最多的彈性常數(shù)是彈性柔順常數(shù),常用s表示。
4.機械品質(zhì)因子
機械品質(zhì)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(shù)。產(chǎn)生機械損耗的原因是材料存在的內(nèi)摩擦。當(dāng)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??;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(shù)
壓電常數(shù)是壓電材料所特有的一種參數(shù),它反映材料“壓”與“電”之間的耦合效應(yīng)。所以,壓電常數(shù)不僅與機械邊界條件有關(guān),而且與電學(xué)邊界條件有關(guān);或者說,不僅與應(yīng)力、應(yīng)變有關(guān),而且與電場強度、電位移有關(guān)。
6.機電耦合系數(shù)
機電耦合系數(shù)k是綜合反映壓電材料性能的參數(shù),它表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應(yīng),是生產(chǎn)上用得最多的一個參數(shù)。由于壓電元件的機械能與它的形狀和振動方式有關(guān),因此不同形狀和不同振動方式所對應(yīng)的機電耦合系數(shù)也不相同。機電耦合系數(shù)無單位。
7.頻率常數(shù)
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(shù),稱為頻率常數(shù)N (kH·m) 。
由此可見,壓電元件的頻率常數(shù)只與材料的性質(zhì)有關(guān),與元件的外形尺寸大小無關(guān)。若知道材料的頻率常數(shù),即可根據(jù)所要求的頻率來設(shè)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。