壓電材(cái)料(liào)簡介(jiè)及(jí)其技術參(cān)數(shù)

壓電材料是(shì)受到(dào)壓力作(zuò)用時會(huì)在(zài)兩(liǎng)端麵間(jiān)出(chū)現電(diàn)壓的(dí)晶體(tǐ)材(cái)料(liào)。1880年，法國物(wù)理學家(jiā)P. 居(jū)裏(lǐ)和(hé)J.居裏兄弟發現(xiàn)，把(bǎ)重(zhòng)物放(fàng)在石(shí)英(yīng)晶體上，晶(jīng)體某些(xiē)表麵會產生(shēng)電(diàn)荷，電荷量與壓力成比(bǐ)例。這(zhè)一(yī)現(xiàn)象被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。隨即(jí)，居(jū)裏兄(xiōng)弟(dì)又發(fā)現了(liǎo)逆壓(yā)電(diàn)效應(yīng)，即(jí)在外(wài)電(diàn)場(cháng)作用下壓(yā)電體會(huì)產生(shēng)形(xíng)變(biàn)。壓電效應的機理是：具(jù)有(yǒu)壓電(diàn)性的晶(jīng)體(tǐ)對(duì)稱性較低，當受(shòu)到外力(lì)作(zuò)用(yòng)發(fā)生形(xíng)變時，晶胞中正(zhèng)負離(lí)子的相(xiāng)對位(wèi)移(yí)使正負電(diàn)荷中心不再重合，導致(zhì)晶體(tǐ)發生(shēng)宏(hóng)觀(guān)極化，而(ér)晶(jīng)體(tǐ)表(biǎo)麵電荷麵密(mì)度(dù)等(děng)於(yú)極化強度在表麵法向(xiàng)上(shàng)的投(tóu)影，所(suǒ)以壓電材料受壓力作(zuò)用(yòng)形(xíng)變時兩(liǎng)端麵會(huì)出現異(yì)號電(diàn)荷。反之，壓(yā)電(diàn)材(cái)料在電(diàn)場中(zhōng)發生極(jí)化時，會(huì)因(yīn)電荷中(zhōng)心(xīn)的(dí)位移導(dǎo)致(zhì)材料變(biàn)形。

壓(yā)電(diàn)材(cái)料可(kě)以因(yīn)機(jī)械變(biàn)形產生電(diàn)場(cháng)，也(yě)可(kě)以(yǐ)因(yīn)電場作(zuò)用產生機械變(biàn)形，這種固(gù)有的(dí)機-電(diàn)耦(ǒu)合效(xiào)應(yīng)使(shǐ)得壓電材料在(zài)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例(lì)如，壓電材(cái)料已被用(yòng)來製(zhì)作(zuò)智(zhì)能結(jié)構，此類結構除具有(yǒu)自承(chéng)載能力(lì)外(wài),還具(jù)有(yǒu)自診(zhěn)斷性，自適應性和自(zì)修復性(xìng)等功(gōng)能(néng)，在未來的(dí)飛(fēi)行器設(shè)計中(zhōng)占(zhān)有重要的(dí)地(dì)位。

壓(yā)電(diàn)材料(liào)的技術參數(shù)：

壓電係數d33

壓電(diàn)係(xì)數是(shì)壓電(diàn)體(tǐ)把機械(xiè)能轉(zhuǎn)變(biàn)成電(diàn)能或(huò)把電能(néng)轉(zhuǎn)變(biàn)成機械(xiè)能的(dí)轉變係數(shù)，反應壓(yā)電材(cái)料彈(dàn)性與介(jiè)電(diàn)之間的耦合關係

自由介(jiè)電(diàn)常數εT33（free permittivity）

電(diàn)介質(zhì)在應變(biàn)為(wéi)零（或(huò)常(cháng)數）時(shí)的介電常數，其單(dān)位為法拉/米。

相對介電常(cháng)數εTr3（relative permittivity）

介電(diàn)常(cháng)數εT33與(yǔ)真(zhēn)空介(jiè)電常數ε0之比(bǐ)值，εTr3=εT33/ε0，它(tā)是(shì)一(yī)個(gè)無因(yīn)次(cì)的物(wù)理量。

介(jiè)質(zhì)損耗（dielectric loss）

電(diàn)介質在電場作(zuò)用下(xià)，由(yóu)於(yú)電極化弛豫過程(chéng)和漏導(dǎo)等原因在(zài)電(diàn)介(jiè)質內所損耗(hào)的(dí)能量(liáng)。

損耗角(jiǎo)正(zhèng)切(qiē)tgδ（tangent of loss angle）

理(lǐ)想(xiǎng)電(diàn)介(jiè)質(zhì)在(zài)正(zhèng)弦(xián)交變電(diàn)場作用(yòng)下流(liú)過的電流比電壓相位(wèi)超(chāo)前90 0，但(dàn)是(shì)在(zài)壓(yā)電陶瓷試樣中(zhōng)因(yīn)有能量損耗，電流(liú)超(chāo)前的(dí)相位角(jiǎo)ψ小(xiǎo)於(yú)900，它的餘(yú)角δ（δ+ψ=900）稱為(wéi)損耗(hào)角，它是一(yī)個(gè)無(wú)因次的物理量，人(rén)們(mén)通(tōng)常(cháng)用損(sǔn)耗(hào)角(jiǎo)正切(qiē)tgδ來(lái)表示(shì)介(jiè)質(zhì)損耗的大小，它表(biǎo)示了電(diàn)介(jiè)質(zhì)的(dí)有功功率（損(sǔn)失功(gōng)率(shuài)）P與(yǔ)無(wú)功(gōng)功率Q之比。即(jí)： 電學(xué)因(yīn)數(shù)Qe（electrical quality factor）

電學因(yīn)數(shù)的值等於試樣(yàng)的(dí)損(sǔn)耗角正切值的倒(dǎo)數，用(yòng)Qe表示，它(tā)是一個無因(yīn)次的物(wù)理量(liáng)。若(ruò)用(yòng)並聯(lián)等效(xiào)電路(lù)表示(shì)交(jiāo)變電(diàn)場中(zhōng)的壓(yā)電陶瓷(cí)的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR

機械因(yīn)數(shù)Qm（mechanical quanlity factor）

壓電振子在(zài)諧振時儲存的機(jī)械能與在(zài)一個(gè)周(zhōu)期內損(sǔn)耗的機(jī)械能之比稱為機械(xiè)因數。它與振子(zǐ)參數(shù)的關(guān)係式為(wéi)：泊鬆比（poissons ratio）

泊鬆(sōng)比係指固(gù)體在應力(lì)作用(yòng)下(xià)的(dí)橫(héng)向相對(duì)收(shōu)縮與(yǔ)縱向相(xiāng)對(duì)伸長(cháng)之(zhī)比(bǐ)，是一個無因(yīn)次的物(wù)理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11

串聯(lián)諧振頻(pín)率(shuài)fs（series resonance frequency）

壓電(diàn)振(zhèn)子(zǐ)等(děng)效(xiào)電路中(zhōng)串(chuàn)聯(lián)支路(lù)的諧(xié)振(zhèn)頻(pín)率(shuài)稱(chēng)為(wéi)串(chuàn)聯(lián)諧(xié)振(zhèn)頻(pín)率(shuài)，用f s 表示，即

並(bìng)聯(lián)諧振頻(pín)率(shuài)fp（parallel resonance frequency）

壓電(diàn)振子等(děng)效電路中並(bìng)聯(lián)支路的諧振頻率(shuài)稱(chēng)為並聯諧(xié)振頻率，用(yòng)f p 表(biǎo)示(shì)，即(jí)f p = 諧振頻(pín)率fr（resonance frequency）

使(shǐ)壓電振(zhèn)子的電(diàn)納為零(líng)的(dí)一對頻率中(zhōng)較低(dī)的(dí)一(yī)個(gè)頻(pín)率(shuài)稱為諧(xié)振(zhèn)頻(pín)率，用(yòng)f r 表(biǎo)示。

反(fǎn)諧(xié)振(zhèn)頻率fa（antiresonance frequency）

使(shǐ)壓(yā)電振子(zǐ)的電納為零的(dí)一(yī)對頻率中較高的一個(gè)頻率稱為(wéi)反諧振(zhèn)頻率，用(yòng)f a 表(biǎo)示(shì)。

大導納頻率fm（maximum admittance frequency）

壓(yā)電(diàn)振(zhèn)子(zǐ)導(dǎo)納大時的頻率(shuài)稱(chēng)為(wéi)大導納(nà)頻率(shuài)，這(zhè)時振子(zǐ)的(dí)阻(zǔ)抗小(xiǎo)，故又(yòu)稱為小阻(zǔ)抗頻率(shuài)，用f m表示。

小導(dǎo)納頻(pín)率fn（minimum admittance frequency）

壓電振子導納(nà)小時的(dí)頻率稱(chēng)為小導(dǎo)納頻率，這(zhè)時(shí)振子的阻抗大(dà)，故(gù)又稱(chēng)為大阻抗頻(pín)率(shuài)，用f n表(biǎo)示(shì)。

基頻（fundamental frequency）

給定的(dí)一種振動模式中低的諧振頻率稱(chēng)為(wéi)基音(yīn)頻率，通常(cháng)成(chéng)為基頻(pín)。

泛(fàn)音(yīn)頻率（fundamental frequency）

給定(dìng)的(dí)一(yī)種(zhǒng)振(zhèn)動模式(shì)中基(jī)頻(pín)以外的諧振頻率(shuài)稱為泛音(yīn)頻(pín)率。

溫(wēn)度穩定(dìng)性（temperature stability）

溫(wēn)度穩定性(xìng)係(xì)指(zhǐ)壓(yā)電陶瓷的隨溫(wēn)度而變(biàn)化的特(tè)性(xìng)。

在(zài)某(mǒu)一溫(wēn)度(dù)下，溫度變(biàn)化1℃時，某(mǒu)頻率(shuài)的數值變(biàn)化與(yǔ)該溫度下(xià)頻(pín)率的(dí)數(shù)值之(zhī)比，稱為(wéi)頻率的溫(wēn)度(dù)係(xì)數TKf。

另外，通常還(huán)用(yòng)大相對漂(piāo)移(yí)來(lái)表征某(mǒu)一(yī)參(cān)數(shù)的(dí)溫度(dù)穩(wěn)定性(xìng)。

正(zhèng)溫大相對頻移(yí)=△f s (正溫大(dà))/ f s(25℃)

負(fù)溫大相(xiāng)對頻(pín)移(yí)=△f s (負(fù)溫大)/ f s(25℃)

機電耦(ǒu)合係(xì)數(shù)（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）

機電耦(ǒu)合係數K是(shì)彈(dàn)性一介電(diàn)相互作用(yòng)能量密(mì)度平方(fāng)V122與貯存(cún)的彈(dàn)密度(dù)V1與介電(diàn)能密度V2乘(chéng)積之(zhī)比(bǐ)的平方根(gēn)。

壓(yā)電陶(táo)瓷常(cháng)用(yòng)以(yǐ)下(xià)五(wǔ)個基(jī)本耦合係數

A，平麵(miàn)機(jī)電(diàn)耦(ǒu)合係數KP（反映(yìng)薄圓片沿(yán)厚度方(fāng)向極(jí)化(huà)和(hé)電(diàn)激(jī)勵，作徑向伸縮振動(dòng)時機電(diàn)耦合(hé)效(xiào)應的參(cān)數。）

B，橫(héng)向機電耦(ǒu)合(hé)係數(shù)K31（反映細(xì)長(cháng)條(tiáo)沿厚度方向極化和(hé)電激(jī)勵，作長(cháng)度伸縮(suō)振動的機(jī)電耦(ǒu)合效應的(dí)參數(shù)。）

C，縱向機(jī)電耦(ǒu)合(hé)係數K33（反映(yìng)細棒沿長(cháng)度(dù)方向極(jí)化(huà)和(hé)電激勵，作長(cháng)度伸縮振(zhèn)動的(dí)機電耦合(hé)效應的參數(shù)。）

D，厚度伸(shēn)縮(suō)機電耦合(hé)係數(shù)KT（反映薄片沿(yán)厚度方(fāng)向(xiàng)極(jí)化(huà)和電(diàn)激勵，作厚度方(fāng)向伸縮振動的機電效(xiào)應(yīng)的參數。）

E，厚度切(qiē)變(biàn)機電耦合(hé)係數K15（反映矩形板(bǎn)沿長度方(fāng)向極化，激勵電場的方(fāng)向垂直於極(jí)化方向，作厚度(dù)切變振動(dòng)時(shí)機(jī)電(diàn)耦(ǒu)合(hé)效(xiào)應的參數。）

壓電應變常數D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）

壓電應(yīng)變(biàn)常數(shù)是在應(yīng)力(lì)T和(hé)電(diàn)場分量EM(M≠I)都(dū)為常(cháng)數的條件下，電場(cháng)分(fēn)量E變化所引(yǐn)起的(dí)應變分(fēn)量(liáng)SI的(dí)變化(huà)與EI變(biàn)化(huà)之比。

壓(yā)電(diàn)電壓常(cháng)數(shù)G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

該常數是(shì)在(zài)電(diàn)位(wèi)移D和應(yīng)力分(fēn)量(liáng)TN（N≠I）都為常(cháng)數(shù)的(dí)條(tiáo)件(jiàn)下(xià)，應(yīng)力(lì)分量TI的(dí)變化所引(yǐn)起(qǐ)的(dí)電(diàn)場強度分(fēn)量(liáng)EI的變化(huà)與TI的變化(huà)之(zhī)比。

居裏(lǐ)溫度(dù)TC(CURIE TEMPERATURE)

壓(yā)電(diàn)陶瓷隻在(zài)某一(yī)溫度範(fàn)圍內具有壓(yā)電(diàn)效應(yīng)，它有一臨界(jiè)溫度(dù)TC，當(dāng)溫度(dù)高(gāo)於(yú)TC時，壓電(diàn)陶(táo)瓷(cí)發生結構相轉變，這個臨界溫(wēn)度TC稱為(wéi)居(jū)裏(lǐ)溫度。

溫度(dù)穩(wěn)定(dìng)性(TEMPERATURE STABILITY)

指(zhǐ)壓(yā)電陶瓷的隨(suí)著溫度變化(huà)的特(tè)性(xìng)，一般(bān)描述溫度穩(wěn)定性有(yǒu)溫度(dù)係數或(huò)大相對漂移二種(zhǒng)方(fāng)法。

十(shí)倍時(shí)間(jiān)老(lǎo)化(huà)率(shuài)(AGEING RATE PER DECADE) Y表示(shì)某(mǒu)一參(cān)數

頻(pín)率(shuài)常數(shù)(FREQUENCY CONSTANT)

對於(yú)徑(jìng)向(xiàng)和橫(héng)向長(cháng)度伸(shēn)縮振(zhèn)動(dòng)模式，其頻率常數(shù)為串(chuàn)聯諧(xié)振(zhèn)頻率與決定(dìng)此(cǐ)頻率(shuài)的振子(zǐ)尺寸(cùn)（直(zhí)徑或(huò)長度(dù)）的(dí)乘(chéng)積(jī)。對(duì)於縱向長(cháng)度(dù)厚度(dù)和(hé)伸(shēn)縮(suō)切變(biàn)振動模(mó)式，其頻(pín)率常數為並(bìng)聯(lián)諧(xié)振(zhèn)頻(pín)率(shuài)與決定此(cǐ)頻率的振子(zǐ)尺寸（長度或厚度）的乘(chéng)積(jī)，其單(dān)位(wèi)：HZ.M