第一章压电陶瓷的物理性能与压电方程.pptVIP

第一章 压电陶瓷的物理性能与压电方程 水声工程学院换能器研究室 主讲教师：蓝宇 第一节 压电陶瓷简介 1945年前后，苏联、英美日等国各自独立地发现了钛酸钡压电陶瓷的高介电常数和铁电性； 1947-1949，发现了钛酸钡的压电性，并解决极化问题； 1950年，确定了锆钛酸铅（PZT）的铁电性质； 1954年，发现了PZT有非常强和稳定的压电性，PZT的发现使压电陶瓷得到了迅速推广和广泛应用。 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。 压电陶瓷属于钙钛矿结构(CaTiO3),其共同特点是： 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+ ), 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？ 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 2．各常数之间的关系 压电常数 弹性系数和柔顺系数之间的关系 介电系数之间的关系 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 是面元的法线方向 任意一点的应力状态由九个应力分量完全确定 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。晶胞也伸长，电矩转向受力方向。部分转向正向，部分转向反向。 受到压力时，材料受力方向缩短。晶胞也发生变形，电矩转向与受力方向垂直的方向。部分转向正向，部分转向反向。 去极化状态受到外力时，极化强度为0，不能产生正向压电效应。 ②受到电场作用 在压电陶瓷上加一电场，晶胞自发极化方向将向电场方向转动，则电场方向