第一章压电陶瓷的物理性能与压电方程研究报告.ppt

第一章 压电陶瓷的物理性能与压电方程 水声工程学院水声换能器研究室 主讲教师：蓝宇 第一节 压电陶瓷简介 二、压电陶瓷的分类 优点：机电耦合系数高、化学性质稳定 缺点：居里点低115°，机电性能常温下不稳定， 强电场下介电损耗大，老化率较大 ◎ PZT4(发射型)：低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场、介电常数、机电耦合系数、压电常数，适合强电场、大振幅激励，用作发射。 ◎ PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间稳定性。 ◎ PZT8(大功率发射型)：高抗张强度和稳定性，高机械Q值，适合大振幅激励。 (1) 分子式可以写成ABO3形式，A是二价正离子(Pb2+,Ba2+ ), B是四价正离子(Ti4+,Zr4+ ), (2) 相应的离子在晶胞中的位置也相同 A位于六面体的八个顶点上，B位于六面体中心， O2-位于六个面的面心 习 题 压电陶瓷PZT的优点、分类？ 晶胞常数有哪些？ 钙钛矿结构特点与各离子在晶胞中的位置？ 自发形变、自发极化（及其方向） 极化强度 去极化状态 第三节 压电陶瓷的介电性能 习 题 请说出形变与应变、内力与应力的区别。 写出3方向极化的压电陶瓷的柔顺系数和弹性系数的矩阵表达式。 习 题 压电效应 为什么去极化状态下的压电陶瓷没有压电效应，极化后的压电陶瓷具有压电效应？ 压电陶瓷的短路、开路、自由和截止状态各代表什么含义？ 短路和开路状态下的应力与应变关系、自由和截止状态下的电位移与电场强度关系如何表示？ 压电陶瓷的电位移在量值上等于什么？ 三、反向压电效应表示式 1．自由状态(T=0) 压电陶瓷在3方向上极化、铺电极，处于自由状态 材料的介电性能为 改变电极的铺设面(变为1或2方向) ，并保持自由状态，由于反向压电效应可产生应变分量 写为矩阵形式 由于反向压电效应，材料发生形变 综合上述结果，3方向极化的压电陶瓷，自由状态时的反向压电效应表示式为 简写为 2．截止状态(恒S，S=0) 此时介电性能 简写为 保持材料内部应变分量为0，由于反向压电效应，材料内部产生应力 四、压电方程 1．压电性能 正向 反向 短路(恒E) 开路(恒D) 自由(恒T) 截止(恒S) 短路 自由 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ d型 e型 g型 h型 ⑵ 角应变——物体变形时，一个直角的角度变化量 在弹性形变时，角度变化很小，因此有 的变化量 A点处的角应变为 切应变 切应变 ⑶ 在弹性变形时，各坐标系下的应变分量与位移的关系 直角坐标 柱坐标 球坐标 二、内力与应力 1．内力—— 物体受到外力的作用变形时， 内部产生的引力或斥力。 在物体内部，组成的微粒(分子或原子)之间存在 相互作用力，力的性质和大小与微粒之间的距离有关。 T = 0， L = L0， d = d0 内部平衡； T ＞0，L＞L0(伸长)，d＞d0，内力表现为引力； L＜L0(缩短)，d ＜ d0，内力表现为斥力。 2．应力—— 单位面积上作用内力。 应力 dV是弹性体中的体元 是面元S的法线方向 是面元S上的内力 S是dV上的面元 任意一点的应力状态由九个应力分量完全确定 切应力 六个应力分量是独立的 正应力 切应力 根据切应力互易定律 六个应力分量是独立的 三、应力与应变分量的统一形式 直角坐标 极坐标 柱坐标 正应力 切应力 线应变 角应变 切应变 正应变 四、压电陶瓷的弹性系数和柔顺系数 1．各向同性体的虎克定律 简写为 柔顺系数 只有两个独立系数 简写为 弹性系数 互逆 单位：应力 N/m2 应变 柔顺系数 m2/N 弹性系数 N/m2 2．杨氏模量与泊松系数 (1)在弹性形变时，应力与应变成正比，杨氏模量为比例系数 (2) 应变的比例关系 (3) Y —杨氏模量 —泊松比 3．适用于压电陶瓷的虎克定律 极化后的压电陶瓷，极化方向与其他方向的弹性性能不同，因此柔顺系数和弹性系数变为 第五节 压电陶瓷的压电性能和压电方程 一、压电效应 1．正向压电效应——压电陶瓷在受到外力作用时，除发生形变和内部产生应力外，还会产生极化强度和电位移，而且产生的极化强度和电位移与应变和应力成正比。 反向压电效应——压电陶瓷在受到电场作用时，除产生极化强度和电位移外，还会发生形变和内部产生应力，而且产生的应变和应力与极化强度和电位移成正比。 2．压电效应的微观解释 (1)去极化状态 ① 受到外力作用 内部电畴的自发极化方向沿空间各方向均匀分布，宏观极化强度为0。 受到拉力时，材料受力方向伸长。