压电陶瓷PPT格式课件下载.ppt
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,压电陶瓷,正压电效应电荷与应力成比例,用介质电位移D和应力X表达如下:
式中D的单位为C/m2,X的单位为N/m2,d称为压电常数(C/N)。
逆压电效应其应变x与电场强度E(V/m)的关系对于正、逆压电效应,比例常数d在数值上相等,弹性常数,具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷称为压电陶瓷振子。
实际振子谐振时的变形可视为弹性变形。
弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变关系的物理量。
弹性常数服从胡克定律:
在弹性限度范围内,应力与应变成正比。
即x=sXX=cxs弹性顺度常数m2/Nc弹性劲度常数N/m2,压电陶瓷的弹性常数,应力和应变张量都是二阶对称张量,Xij,xij可以采用简化下标的形式表示111,222,333,234,315,126广义虎克定律:
xi=sijXj,或Xi=cijxj,压电陶瓷的介电常数,各向同性的介质,E矢量与D矢量同向晶体具有各向异性晶体的物理性质用张量表示,如介电常数是2阶张量:
Di=ijEj(i,j=1,2,3)D1=11E1+12E2+13E3D2=21E1+22E2+23E3D3=31E1+32E2+33E3,晶体的宏观物理性质都是用张量描述,受两种完全不同的对称性的影响:
热力学关系(守恒定律)赋予物理性质本身的固有对称性对宏观物理性质的影响要求描述晶体宏观物理性质的二阶以上张量都是对称张量,如介电常数张量元ij=ji应变xij=xji压电常数dijk=dikj,压电陶瓷的介电常数,对各向同性介质,ij为标量对各向异性介质,ij为二阶张量,压电陶瓷的介电常数,三斜晶系:
6个独立分量,压电陶瓷的介电常数,压电陶瓷的介电常数,单斜晶系:
4个独立的非零分量:
11,22,33,31斜方晶系:
11、22、33三个独立非零分量四方、六方、三方晶系:
11332个独立非零分量11=22,33为非零分量,而12=23=31=0立方晶系:
11一个独立非零分量,压电常数压电常数是反映力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)间相互耦合的线性响应系数。
压电陶瓷的压电常数,正压电效应:
Di=dijkXjkdijk压电常数,18个分量逆压电效应:
xjk=djkiEi用热力学可以证明逆压电常数与正压电常数相等,极化的压电陶瓷的对称性为mm,类似于6mm对称性,非零独立压电常数的数量减少,压电常数只有d31=d32,d33,d15=d24其压电常数矩阵是:
压电陶瓷的压电常数,压电常数,压电应变常数d-单位应力产生的电位移/单位电场引起的应变压电电压常数g单位应力引起的电压压电应力常数e单位电场引起的应力压电劲度常数h造成单位应变所需的电场,压电陶瓷的压电方程,压电方程是综合描述晶体的极化、弹性及机电之间压电耦合作用的方程组。
对不同的边界条件和不同的变量,得到不同的压电方程组,压电方程组,在应力X1和电场E3作用下,压电陶瓷片发生形变当E30,X10,弹性应变:
x1
(1)s11EX1当E30,X10,压电应变:
x1
(2)d31E3当E30,X10,总应变:
x1x1
(1)x1
(2)s11EX1d31E3,当E30,X10,产生的介电电位移:
D3
(1)=X33E3当E30,X10,产生的压电电位移:
D3
(2)=d31X1当E30,X10,产生的总电位移:
D3D3
(1)D3
(2)=X33E3d31X1,在电场E3和应力X1作用下,压电陶瓷片产生电位移,压电方程组,D3X33E3d31X1x1s11EX1d31E3,对于一般情况:
Di=ijXEj+diXx=djEj+sEX可简写为:
D=dX+XEx=sEX+dE,压电方程组,第一类压电方程组第二类压电方程组第三类压电方程组第四类压电方程组,边界条件:
“短路”电学边界条件:
电压不变“开路”电学边界条件:
电位移不变“自由”机械边界条件:
中间固定,应力为零,变形自由“夹持”机械边界条件:
边缘固定,应变为零,压电陶瓷振子的四类边界条件,类型名称特点第一类边界条件机械自由电学短路dX=0dx0dE=0dD0第二类边界条件机械夹持电学短路dx=0dX0dE=0dD0第三类边界条件机械自由电学开路dX=0dx0dD=0dE0第四类边界条件机械夹持电学开路dx=0dX0dD=0dE0,四类压电方程,种类边界条件自变量因变量主要压电常数方程一机械自由应力X应变x压电应变常数D=dX+XE电学短路电场E电位移DdS=sEX+dE二机械夹持应变x应力X压电应力常数D=ex+xE电学短路电场E电位移DeX=cEx-eE三机械自由应力X应变x压电电压常数E=XD-gX电学开路电位移D电场Egx=gD+sDX四机械夹持应变x应力X压电劲度常数E=xD-hx电学开路电位移D电场EhX=cDx-hD,压电陶瓷的机电耦合系数(electromechanicalcouplingfactor),机电耦合系数k是衡量压电体机电能量转换能力的重要参数。
或,几种振动模式压电振子的机电耦合系数,横向长度伸缩振动:
k231=d231/X33sE11纵向长度伸缩振动:
k233=d233/X33sE33厚度切变振动:
k215=d215/X11sE55径向伸缩振动:
k2p=2d231/X33(sE11-sE12),机械品质因数(Qm)(mechanicalqualityfactor)表示在振动转换时,材料内部能量消耗程度的物理量。
压电振子谐振时每周期内单位体积贮存的机械能与损耗的机械能之比机械品质因数愈大,则能量损耗愈小。
产生损耗的原因在于内摩擦。
通常,陶瓷滤波器要求Qm高;
音响器件,换能器要求Qm低。
频率常数:
压电振子谐振频率与其在主振动方向尺寸的乘积,NL=frL,压电陶瓷的稳定性,时间稳定性老化随时间延长,fr,s11E,kp,Qm原因:
极化压电陶瓷亚稳状态老化过程趋于稳定,压电陶瓷,压电陶瓷的应用,压电陶瓷的结构类型与材料体系,压电效应晶体结构的非对称性结构类型:
钙钛矿型钨青铜型焦绿石型含铋层结构等材料体系:
钛酸钡,钛酸铅,锆钛酸铅等化学式:
ABO3(A:
1+,2+;
B:
4+/5+),压电陶瓷材料,一元系压电陶瓷BaTiO3,PbTiO3压电陶瓷二元系压电陶瓷Pb(Zr,Ti)O3压电陶瓷三元系压电陶瓷PZT-Pb(B1B2)O3,压电陶瓷的应用,在高压发生装置上的应用压电陶瓷点火器压电陶瓷变压器在电声设备上的应用压电陶瓷扬声器压电陶瓷送、受话器压电陶瓷蜂鸣器在水声、超声换能设备上的应用压电陶瓷滤波器压电陶瓷体波滤波器压电陶瓷声表面波滤波器压电陶瓷驱动器和微型马达,压电应用举例:
压电陶瓷点火器,GasigniterExample:
asinglecylinderF=1000NL=15mm,=12mm,d33=265pCN-1,33T=15000,k33=0.7U=10.4kV,压电陶瓷点火器用压电陶瓷,在一定尺寸的压电陶瓷元件上获得最大的电压输出,必须满足以下条件:
使元件处于良好的受夹状态选择具有高压电电压常数g33、高机电耦合系数k33、高弹性顺度系数s33D的压电陶瓷,压电陶瓷点火器用压电陶瓷,Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3二元系压电陶瓷g33=29.910-3VM/N,rT=3250Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系压电陶瓷典型配方:
Pb0.8Sr0.2(Mg1/3Nb2/3)0.25Ti0.38Zr0.37O3,Kp=74.9%,rT=5148Pb(Mg1/3Ta2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3三元系陶瓷g33=27.910-3VM/N,rT=2750,压电应用举例:
压电陶瓷变压器,工作原理:
电能(逆压电效应)机械能(正压电效应)电能无载下的升压比:
U2/U1=(4/2)k31k33Qm(L2/t)与传统的铁芯电磁变压器相比,具有体积小、耐高温、无电磁干扰、高频下具有高能量能密度及结构简单等优点。
压电陶瓷变压器,压电陶瓷变压器的特点:
频率特性在谐振频率附近输出电压最大值输出电压随输入电压增加而增加,达一定值时饱和随负载阻抗的减小,输出电压随之降低增加负载阻抗时,输入阻抗减小,与绕线变压器相反。
可自动截止压电升压变压器压电降压变压器主要用作液晶显示(LCD)背景光源的电源变压器,如笔记本电脑、移动电话等信息类电子设备。
压电陶瓷,BaTiO3压电陶瓷性能随温度和时间变化大,原因为:
居里温度1200C;
第二相变点00C,结构有斜方晶系转变为四方晶系,自发极化方向由(011)变为(001)介电性、压电性、弹性性能急剧变化,且不稳定;
性能随温度升高和下降具有滞后现象;
从铁电性变为顺电性的居里点较低。
BaTiO3压电陶瓷的改性,掺入CaTiO3、PbTiO3nmol%掺入CaTiO3,居里点几乎不变,第二相变点降低;
掺入16%,-550C,压电性降低8mol%;
掺入PbTiO3,居里点升高,第二相变点降低,矫顽场增高,性能稳定;
掺入量过高,压电性降低8mol%。
(Ba0.88,Pb0.08,Ca0.04)TiO3:
居里点1600C/-550C,压电陶瓷,PbTiO3陶瓷的掺杂改性,压电陶瓷,Pb(Ti,Zr)O3系压电陶瓷,Pb(Ti,Zr)O3系压电陶瓷具有中间组成的体系,存在四方铁电相和三方铁电相之间的相界。
在此附近,随钛离子浓度增加,自发极化取向由(111)变为(001)。
在此过程,晶体结构不稳定,介电性和压电性显著提高。
Pb(Ti,Zr)O3系压电陶瓷的特点与改性,特点:
压电性约比BaTiO3大2倍;
在-552000C范围内不存在相变;
烧结过程中PbO易挥发,难以得到致密的烧结体;
在相界附近,压电性与Zr/Ti密切相关。
改善:
Sn、Hf部分置换Ti、Zr;
Ca、Sr、Ba、Mg部分置换Pb,显著提高介电常数。
添加剂的种类与作用:
La2O3、Nd2O3、Nb2O5、Ta2O5、Sb2O3、Bi2O3、ThO2、WO3:
使陶瓷易于极化,压电性相应提高,且随时间的变化小;
Cr2O3、Fe2O3、CoO、MnO2:
使矫顽场增加,极化困难,Cr2O3、U2O3会减小共振频率随温度和时间的变化。
添加量以不能形成第二相为宜。
Pb(Zr,Ti)O3压电陶瓷,存在四
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- 压电 陶瓷