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壓電陶瓷的性能參數
作者:alex 發布日期:2017-10-09
壓電陶瓷的性能參數
無論是生產還是應用一種壓電元件,都希望選擇適合元件要求的優質壓電陶瓷,通常是選定一些能反映材料性能的參數來衡量材料是否滿足要求。這些參數的大小即標志材料在某一方面性能的優劣。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特別多,其主要相關參數如下:
介電性質方面的參數包括介電常數和介質損耗;
彈性性質方面的參數包括彈性常數和機械品質因子;
壓電性質方面的參數包括壓電常數和機電耦合系數。
此外,還有居里溫度、頻率常數等工作條件參數。
(1)介電常數ε 介電常數反映材料的介電性質或極化性質。不同用途的壓電元件對材料介電常數要求也不相同。通常壓電元件在高頻狀態工作時,介電常數ε 要小,反之要大一些,介電常數與元件的電容C、電極面積A 和電極間距離t 之間的關系為:
ε=Ct/A (2-1)
式中 C——電容(F);
A——電極面積(m2);
t——電極間距離(m)
(2)介質損耗壓電元件在交變電壓,工作一段時間要發熱。通常把在交流電壓作用下,在單位時間內因發熱而消耗的電能,稱為介質損耗。大功率換能器要求材料的介質損耗非常小,否則在工作中會由于劇烈發熱而損壞換能器。
引起介質損耗的主要原因是介質中存在損耗電阻Rn。在交變電壓作用下,壓電元件可用圖2-3 的RC并聯電路來表示。只有通過損耗電阻的分路電流IR才消耗能量,通過電容的分路電流IC不消耗能量。通常用IR和IC的比值來代表介質損耗,即與總電流的夾角的正切值:
壓電陶瓷片
當tanδ 小時, IR也小,表明介質損耗??;當tanδ 大時, IR也大,表明介質損耗大。
壓電陶瓷片
圖2-3 壓電元件的等效電路
Fig. 2-3 The equivalent circuit of piezoelecric element
(3)彈性常數壓電陶瓷材料在彈性極限范圍之內,受力與變形成正比,而彈性常數就是反映材料的彈性性質的參數。壓電陶瓷材料中用得最多的彈性常數是彈性柔順常數,常用s 表示。在零電場強度的條件下由材料所受的應力σ 和產生的應變S 確定,其關系為:
S = sσ (2-3)
(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。產生機械損耗的原因是材料存在內摩擦。當壓電元件振動時,要克服摩擦而消耗能量。Qm越大,機械損耗越小,所以制作壓電疊堆的陶瓷材料需要有較大的Qm值。
(5)壓電常數壓電常數反映壓電材料“壓”與“電”之間的耦合效應,所以,壓電常數與機械邊界條件和電學邊界條件都有關系。其中用得最多的是壓電應變常數d,根據邊界條件的不同,有兩種方法來定義常數d。
當電場強度E 為常數,即壓電元件的兩個電極短路條件下,壓電常數d 與電位移D、應力σ 之間的關系為:
d = D σ (2-4)
當壓電元件兩端處于機械自由的條件下,壓電常數d 與電場E、應變s 之間的關系為:
d = s E (2-5)
(6)機電耦合系數這是表示壓電體中機械能與電能之間相互耦合程度的一個參數,是衡量壓電性能優劣的一個綜合物理量。它的意義為:
k 2 =通過壓電效應轉換的能量/輸入的能量 (2-6)
(7)工作條件參數這是限定壓電陶瓷工作范圍或規定工作條件的一類參數,包括:
居里溫度Tc——壓電陶瓷在某一溫度以下方具有壓電性,其臨界溫度點稱為居里溫度Tc;
頻率常數Nl——壓電陶瓷尺寸與諧振頻率乘積為常數,稱為頻率常數Nl。

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