专业解析压电陶瓷原理

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的资讯功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声感测器、声换能器、超声马达等。

压电陶瓷原理

极化后的陶瓷片会有束缚电荷出现在两端，外界的自由电荷会被吸附到电极表面上，这是一个充电的过程。这时，当有外力压向陶瓷片时，两端就会向外界放电反之，当有外力反向作用时，两端将会进行充电。这个过程实现了机械效应向电效应的转换，因而该现象又叫做正压电效应。

压电陶瓷材料

无机压电材料：分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。

压电陶瓷的参数

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的资讯功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声感测器、声换能器、超声马达等。

压电陶瓷的极化

压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成，每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子(离子)都是有规则(周期性)的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元—晶胞组成。晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的。为了使压电陶瓷处于能量(静电能与弹性能)最低状态，

压电效应：某些电介质（如日本富士压电陶瓷片）在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种力-电转换的现象称为正压电效应。

    压电陶瓷进行极化处理主要是工艺上的问题：包括油浴极化法、空气极化法、空气高温极化方法等。这和使用没有关系，不必要深究。

下图是可以非标定制的压电陶瓷片

当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。

极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。

极化前一定要把边缘的银磨掉

极化的温度要适宜

极化电压不要过高 谢谢！黎露(站内联系TA)我极化时，从陶瓷表面总有黑色物质被电出来，一旦黑色物质在与陶瓷片接触就击穿了。这黑色物质可以避免吗？kingyx(站内联系TA)黑色物质应该就是击穿的的表现，前面所提的几个问题都值得特别注意，另外建议做做铁电性（电滞回线）确定极化电压，还有材料本身的致密度不高极容易出现所描述的形象，极化前可以先确定其结构如何黎露(站内联系TA)Originally posted by kingyx at 2009-9-16 08:19:

极化前一定要把边缘的银磨掉

极化的温度要适宜

极化电压不要过高 赞同！再补充一点：

赞同！再补充一点：

另外，极化后样品要在硅油中保持24小时后再取出还是极化后就可从硅油中取出，然后保持24小时？谢谢！失落的候鸟(站内联系TA)Originally posted by 黎露 at 2009-9-16 15:40:感谢！另外，极化后样品要在硅油中保持24小时后再取出还是极化后就可从硅油中取出，然后保持24小时？谢谢！ 极化后就可以取出了，但要等1天才去测性能的好黎露(站内联系TA)Originally posted by 失落的候鸟 at 2009-9-16 22:23:

极化后就可以取出了，但是最好把上下电极用导线连起来放电24小时后再测试！ 谢谢！不过样品取出来了，还要把上下电极用导线连起来放电24小时，干嘛呢？淡泊明远(站内联系TA)还有 在压片时候 注意 如何压片质量不好 就会在烧结时 使陶瓷内部留下许多空洞和裂纹 这样也会影响机化效果的ANT_DREAM(站内联系TA)Originally posted by 黎露 at 2009-9-17 10:40:

谢谢！

压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。 压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度

一般陶瓷片都有标明正负极，如果没有标，直接用万用表测直流档，用力压陶瓷片，陶瓷片会输出电压，看万用表的读书是正还是负。

还有一个简陋的办法是利用万用表的电压档，0到3伏直流电压档即可，能显示正负值的。将红黑表笔与压电陶瓷片两个电极连接好，然后用力压陶瓷片一下（在两个电极方向加压），看万用表出来的数值是正还是负（一般是显示一个变化值，正负也会改变，要看最开始的值是正还是负）如果最开始是正值，则红表笔所连电极是正极。这种方法容易出错，建议多测几次。

其次是看陶瓷片上的标示，标有+ 的就是正极了，或者标有- 的就是负极