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压电材料及其性能(一)
来源: | 发布日期:2022-11-08

压电材料是研制压电换能器的重要环节之一,目前常用的压电材料有以下两类:压电陶瓷和石英晶体。


压电陶瓷

一元系:钛酸钡、钛酸铅、锯酸钾、偏铌酸铅等

二元系:锆钛酸铅及其系列、铌酸钾钠、偏铌酸铅钡等

三元系:铌镁-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅、铌锰-锆-钛酸铅等


(1)压电石英晶体

石英晶体又称水晶,其性能稳定,不管是随温度还是随时间性能的变化都很小,-190°C时压电常数仅比室温时下降1.3%, 200°C以下时,压电常数几乎与温度无关。晶体的力学性能良好,易于切割、研磨和抛光加工,机械损耗小,机械Q值可高达106。介电系数较低,谐振时阻抗较高,广泛用来制作标准频率控制的振子及高选择性的滤波器,作为超声换能器材料可用来制作大功率发射器,并可在高温下工作。目前,尚未见到石英晶体用于超声加工换能器的报道。

 

(2)压电陶瓷

压电陶瓷具有多方面的适应性,从物理性质的角度看,它是坚硬的,具有能够施加或承受很大应力的能力,而从化学性质的角度看,它是“惰性”的,不受潮湿和其他气候条件的影响。压电陶瓷材料的制作方法与绝缘陶瓷材料类似,简便易行,几乎可以做成任何需要的形状和尺寸,并可以方便地选择其极化方向。非常适合用于换能器的制作。压电陶瓷可以通过改变其化学组分及添加杂质来改变其性能,以适应各种不同的用途,下面简单介绍几种主要的换能器材料。


①钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。钛酸钡是发现得最早并得到广泛应用的压电陶瓷,其居里温度较低,约为115°C,它存在一90°C (三方-正交晶型)和0°C (四方-正交晶型)两个相变点,机电性能在常用温度范围内很不稳定且老化率较大,在强电场下介电损耗也较大,电场强度升高到6〜8kV/cm时,tanδE增大到0. 1,这样在大功率情况下使用就受到限制。


为了提高钛酸钡的性能,可采用离子替换或添加少量添加物的方法进行,以Pb2+置换Ba2+,可使居里点升高到490°C ,以Ca2+置换Ba2+,对居里点没有明显影响,但可使四方-正交晶型的转变温度降低,这样就使钛酸颈的压电弹性和介电性的温度稳定性得到提高,用极少量(如0.1%)的Co3+、Ni3+或Cr3+的添加物,可降低强场损耗,在95% BaTiO3 + 5% CaTiO3的材料中加入0.75% CaCO3,降低场强损耗的效果很显著。


②钛酸铅(PbTiO3)压电陶瓷。钛酸铅压电陶瓷居里点高,适合在高温下工作,比电容率较小,比锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷要小一个数量级,但比石英等压电单晶的电容率要大一个数量级,它的电阻抗大于PZT,小于石英,它的机电耦合系数kt和k33较大,而kp和k31却很小,用其制作厚度方向振动的振子,容易得到近似的纯模,它的压电常数g33也较大,可用于厚向检测、高频滤波器、高温检测、医疗超声等领域。



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