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压电陶瓷的性能参数解析
制造优良的压电陶瓷元器件,通常要对压电陶瓷性能提出明确的要求。因为压电陶瓷性
能对元器件的质量有决定性的影响。因此,要讨论和认识压电陶瓷的元器件,就必须首先要
了解压电陶瓷的性能参数与量度方法。
压电陶瓷除了具有一般介质材料所具有的介电性和弹性性能外,还具有压电性能。压电
陶瓷经过极化处理之后,就具有了各向异性,每项性能参数在不同方向上所表现的数值不同,
这就使得压电陶瓷的性能参数比一般各向同性的介质陶瓷多得多。压电陶瓷的众多的性能参
数是它被广泛应用的重要基础。
(1)介电常数
介电常数是反映材料的介电性质,或极化性质的,通常用ε来表示。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。
介电常数ε与元件的电容C,电极面积A和电极间距离t之间的关系为
ε=Ct/A·(1-1)
式中,各参数的单位为:电容量C为F,电极面积A为m2,电极间距t为m,介电常
数ε为F/m。
有时使用相对介电常数εr(或κ),它与绝对介电常数ε之间的关系为
εr=ε/εo(1-2)
式中,εo为真空(或自由空间)的介电常数,εo=8.85×10-12(F/m),而εr则无单位,
是一个数值。
压电陶瓷极化处理之前是各向同性的多晶体,这是沿1(x)、2(y)、3(z)方向的介电常数
是相同的,即只有一个介电常数。经过极化处理以后,由于沿极化方向产生了剩余极化而成
为各向异性的多晶体。此时,沿极化方向的介电性质就与其他两个方向的介电性质不同。设
陶瓷的极化方向沿3方向,则有关系
ε=ε≠ε(1-3)
112233
即经过极化后的压电陶瓷具有两个介电常数ε和ε。
1133
由于压电陶瓷存在压电效应,因此样品处于不同的机械条件下,其所测得的介电常数也
不相同。在机械自由条件下,测得的介电常数称为自由介电常数,在ε表示,上角标T表
T
示机械自由条件。在机械夹持条件下,测得的介电常数称为夹持介电常数,以ε表示,上
S
角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场,而在机
械受夹条件下则没有这种效应,因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。
ε,ε,ε,
根据上面所述,沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数,即11T33T11S
ε。
S
11
(2)
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