压电陶瓷材料与应用复习提纲 (2).docx

压电陶瓷材料与应用复习提纲（2）1、什么是正压电效应？逆压电效应？电致伸缩效应？逆压电效应与电致伸缩效应有何区别？正压电效应（机械能转变为电能），在具有压电性能的材料上，施加机械应力，在相应端面成比例产 生电荷。逆压电效应（电能转变为机械能），在具有压电性能的材料上，施加电场，材料成比例产生机械形变。 如果施加的是交变电场，那么产生机械振动。在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。这种效应是由电场中 电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。其特征是应变的正负与外电场方向无关。一般地，电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小几个数量级。但是一些电致伸缩效应大的 高介电系数材料在kV/mm数量级的场强下即可获得与压电材料相当的电致伸缩应变，而且其老化性能更 优。2、请列出压电效应的一些特征。可逆性：在同一个压电材料或元件上，既可以发生正压电效应（机械能转变为电能），又可以发生逆 压电效应（电能转变为机械能）。正负极性：正压电效应时施加张应力和压应力产生的电压极性相反，逆压电效应时施加的电压极性 改变，应变极性也改变（收缩或伸长）。线性特性：在一定范围内，正压电效应施加的应力与产生的电荷量（或电压）成正比，逆压电效应 施加的电压与产生的应变量成正比。方向性：对于压电晶体，不同方向具有不同压电特性。压电陶瓷通过人工极化使其具有方向性。温度特性：晶体结构跟温度相关，晶体结构的对称性决定其是否具有压电性，而对于铁电性压电材 料，铁电居里温度以上为顺电相，不具有铁电性，也一般不具有压电性，铁电居里温度以下为铁电相， 具有显著压电效应。X、介电体 I / 压电体 1/ 热电体 17 铁电体介电体 I / 压电体 1/ 热电体 17 铁电体3、有无中心对称的两大类晶体结构中材料中，哪类才具有压电效应？铁电 体是否一定具有压电效应？压电体是否一定是铁电体？晶体按对称性分为三十二种晶族（点群），其中有对称中心的十一种晶 族不呈现压电效应，而无对称中心的二十一种晶族中的二十种呈现压电效应。4、钙钛矿结构材料从顺电相向铁电相转变时，晶体结构发生了何种变化?立方顺电相，正负电荷中心重合，无电偶极矩。四方铁电相，正负电荷中心不重合，产生电偶极矩。5、请画出铁电材料电滞回线示意图，标志并说明几个关键点。当铁电体加上电场E后，极化强度P随E增加沿OAB曲线上 升，至B点后P随E的变化呈线性（BC线段）。E下降，P不沿原曲 线下降，而是沿CBD曲线下降。当E为零时，极化强度P不等于零 而为Pb （剩余极化强度）。只有加上反电场EH时P方等于零,EH称 为铁电材料的矫顽电场强度。CBDFGHIC构成整个电滞曲线。6、举例说明压电效应和逆压电效应的应用。（各举3例以上）（1）压电功率器件：超声换能器、超声焊焊接换能器、超声雾化器;（2）压电陶瓷传感器：压电水声传感器、压电空气声传感器、压电固体声传感器、压电冲击传感器 （加速度传感器）、压电陀螺仪；（3）压电电声器件；（4）电子电路应用：压电陶瓷谐振器、压电陶瓷滤波器、压电声外表波滤波器；（5）其他应用：压电点火器、压电变压器、压电马达（致动器）、压电液体泵、压电能量收集器7、简述压电电声器件原理。利用压电陶瓷材料的逆压电效应，当给压电材料施加电压信号，压电陶瓷产生变形，根据压电陶瓷 的阻抗频率特性，当电信号频率处于压电元件谐振频率附近时，机电耦合效率最高。因此当我们希望压电陶瓷元件发出音频（20Hz20kHz）声音时，我们需要输入音频电信号，并且压 电陶瓷元件的谐振频率处于音频范围。8、压电电声器件利用的是压电陶瓷材料与金属复合片的弯曲振动模式，为什么？为什么不采用压电陶瓷材料的平面（径向）或厚度振动？人耳能听到的声音范围为20Hz20kHz,只能采用弯曲振动模式才能获得音频频率范围的机械振动, 使压电陶瓷片发出声音。采用其他振动方式发出声波的频率已远大于人耳能听到范围。Y o 一扬氏模量 支撑系数9、圆片形压电电声元件的厚度与直径与其应用频率范围有何关系?frD复合体直径t-复合体厚P 0复合体密度。-泊松比 c10、 应用压电电声元件的自激式驱动电路和他激式驱动电路有何区别？所采用的压电电声元件有何不同？自激式驱动电路：压电元件既是发声体，又是振荡电路的一部份，电路的振荡频率就是压电元件的 谐振频率。他激式驱动电路：压电元件作为振荡器或放大器的负载。电信号的频率、幅度、波形等参数完全由 电路的设计来决定。11、 制造双面贴片式压电电声元件有何意义？两片压电陶瓷的极化方向应如何配置（绘出示意图）将纵振动子作为换能元件时，由于压电材料刚性较大，难于得到大的振幅。此时可以采用双压电晶 片的方法。将两个纵振动子，以相反极性粘在一起，由于元件本身具有压电方向，因而有如图1-16 （a） 中所示的并联型，以及图1-16 （b）的串联型粘合方法。当一个元件伸长时，另一个元件将被压缩，因而 可以产生弯曲振动。图是构成双压电晶片的扬声器构造图，通常采用将自由端安装在振膜上的方法。图1-17扬声器构造示意图图1-16双压电晶片的构造简述压电点火器原理。压电陶瓷点火器件是压电陶瓷正压电效应的典型应用。压电陶瓷点火装置将机械力转换成为高电压 能量，在特定放电间隙产生电火花，从而点燃可燃烧气体。12、 极化后的压电陶瓷承受应力产生电压，应力消失后电压是否消失?未极化的压电陶瓷受力压缩或拉伸是否产生电压？应力消失后电压消失。压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。13、 挤压式点火装置和冲击式点火装置对压电陶瓷元件的要求有什么不同？哪种方式易于使压电陶瓷元件压电性能退化？挤压式点火装置施加静态应力，持续时间较长（约0.5秒），调整火花间隙的大小可调整点火次数。 静态应力（电压）上升时间较长，约为0.25秒，因此，点火装置的时间常数应足够大，否那么电压上不去。 装置的时间常数应大于0.5秒，通常压电点火元件电容量为30150pF的范围，因此装置的绝缘电阻应大 于 1010Q冲击点火装置中，用一个装有弹簧锤的装置对压电陶瓷元件施加的动态应力。当锤冲击压电陶瓷时, 在锤和压电陶瓷体内产生压缩波。冲击点火装置弹簧锤与压电元件（护套）碰撞迅速，压缩应力施加时 间很短（微秒级）。相对于挤压式情况，冲击点火装置有以下特点：（1）非线性效应（即T与V的非线性 关系）降低，即可施加更大的应力，产生更高的电压而不易导致退极化。（2）点火装置的时间常数可以 相应降低，即点火装置的绝缘电阻可以适当降低要求（通常1MQ）点火时维持电压较低，继续存在的机械应力可引起压电陶瓷退极化。应力越大、持续时间越长退极W两个汽电网柱体W两个汽电网柱体化越严重。挤压式点火装置可实现屡次点火，但会由于持续应力导致元件退极化。14、 采用压电陶瓷的煤气点火装置通常采用两个压电陶瓷圆柱做成一个器件，这样做有何好处？两个压电陶瓷圆柱的极化方 向应如何配置？（绘出示意图）采用双压电元件并联可以使火花能量加倍，且利于安装。但要注 意元件极化方向配置，配置不对形成反并联，输出电压抵消，不能产 生火花。金属端片-15、 简述压电陶瓷变压器基本原理。（绘出ROSEN结构压电陶瓷变压器示意图）Rosen结构单片式压电变压器示意图三次Rosen单片式压电变压器结构：左半部份的上下两面都烧渗有电极，并沿厚度方向极化，形成输入端，称 为驱动部份；右半局部的右端面也烧渗有电极，沿长度方向极化，作为输出端，称为发电部份。当频率等于谐振频率的交变电压加到压电变压器的输入端时，那么在长度方向会产生机械振动，由于 正压电效应，输出端电极便会有电压输出。由于陶瓷片的长度远大于厚度，故输入端为低阻抗，输出端为高阻抗，可以到达升压的目的。17、Rosen结构升压压电变压器的升压比与电信号频率及负载阻抗有何关系?在空载情况下，压电陶瓷变压器在谐振时的变压比由下式表示V dI式中，Vo/ Vi为空载时输出电压与输入电压之比；Qm为材料的机械 品质因数;K31、K33为材料的机电耦合系数;I为变压器发电局部的长 度;t为变压器的厚度。压电变压器的升压比是频率和负载的函数。当负载固定，升压 比在某个频率获得最大值；但这个峰值频率随负载大小而变；负载 阻抗越大谐振频率越高。18、 与单层Rosen结构压电变压器相比，多层Rosen结构压 电变压器有何优点？从升压比公式可知，在材料特性不变的情况下，随着1/ t的增大, 变压比随之增大。所以5050 101111-60657075f/Kllz1MQ -200KQ、100KQ50KQ0负较见抗40RI-20MQ±J3之图9.7-4升/K比与频率的关系19、 与单层Rosen结构压电变压器相比，日本NEC公司开发的三次Rosen型压电变压器有何优 点？日本NEC公司开发的三次Rosen型压电变压器，可以是单层。也可以是多层。该结构克服了简单Rosen 型引出端可靠性问题，且提高了输出功率。20、 压电陶瓷变压器应用时驱动电路必须对信号什么参数进行跟踪与调节？为什么？压电变压器工作时，其驱动频率必须与谐振频率保持一致。实际应用时，压电变压器的谐振频率常 常受到负载阻抗变化、环境温度变化等的影响而发生变化，从而使升压比大大降低。为了获得最正确输出， 需要跟踪谐振频率的变化，对驱动频率进行自动调节。采用V-F（电压频率）变换的方法，这一问题能 得到较好的解决。21、 滤波器是什么电子器件？有何作用？有哪些类型？（1）滤波器是用于电子线路中的一种具有选频特性的四端网络。（二端或三端器件是其特例。）（2）电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或 该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。（3）按选频特性分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。按元件与材料种类及原理分，有：LC滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、有源滤波器、数字滤波器。22、 带通滤波器采用两个压电振子，两个压电振子的特征频率应如何配置?图2.5四端滤波器及其等效电路示意图如图2.5所示的四端 滤波器，就是由1,2两个振 子组成。其中1片与讯号 源和负载Z1串连,称为串 臂振子，或简称串片;2片 与讯号源和负载Z1并连, 称为并片。串片1的作用，与上述中单片的的作用相同，串片的衰耗特性曲线如图2.6（a）中的曲线lo并片2的作 用当输入讯号频率在并片的谐振频率看附近时，并片的阻抗很小，因此讯号几乎全部被并片短路了，所以负 载Z1上的电压很小;当输入讯号频率在并片的反谐振频率fa?附近时，并片的阻抗很大，因此讯号几乎全部 被加在负载Z1上,所以负载得到的电压很大。并片的衰耗特性如图2.6（a）中的曲线2。从图中可以看出，并 片在谐振频率fr2附近衰耗最大;在反谐振频率fa2附近衰耗最小，这个情况正好和串片相反。如果我们适中选择串片和并片的谐振频率和反谐振频率，使串片的谐振频率等于并片的反谐振频率 即frEaz那么即可得到如图2.6（b）所示的衰号特性曲线，由此可见，一个串片和一个并片组成的四端滤波器 已经成为一个简单的带通滤波器。(a)(b)图2.6串片振子与并片振子的衰耗特性23、 单片、分割电极、利用平面振动的压电陶瓷滤波器可应用与什么频段？振子的振动模式按极化方向与激励电场方向间的关系通常可分为伸缩振动、切变振动、弯曲振动、 能阱振动等类型，其中，弯曲振动模式的谐振频率较低，厚度振动模式的谐振频率较高。长度伸缩振动 模式的频率范围约为15 200kHz,径向振动模式适用于200kHz-lMHz左右的频率,厚度振动模式适用于 3MHz几十 MHz.中心频率为100kHz-lMHz的陶瓷带通滤波器，一般采用前述这种径向振动模式的滤波器，如调幅 收音机f二465kHz的中频滤波器就是这类滤波器。24、 长条、分割电极、利用弯曲振动的压电陶瓷滤波器可应用与什么频段？滤波器中心频率的调整可以通过调节振子的长度和宽度来实现。这种宽度弯曲振动模式的分割电极 振子一般用来做f=270KHz的低频陶瓷滤波器。25、 利用厚度振动模式一般可制作什么频段压电陶瓷滤波器？什么是能陷模式？为什么采用能陷模式？（1）较高频率应用的陶瓷滤波器必须采用厚度振动模式的振子。（2）能陷振子的电极面积比陶瓷片的面积小很多，通过适中选取电极的面积和厚度，就可以把振动 能量限制在该电极之间，而电极之外的振动能量很快被衰减。这种现象称为能陷现象，具有能陷现象的 振子厚度振动模式也称为能陷模式。（3）对于频率高达几兆赫至几十兆赫的，由于工作频率很高。但一般形式的圆片振子的厚度振动用 于高频时，由于存在来自径向振动的高次泛音的干扰，得不到单纯的厚度振动，因而滤波器的性能变 差。采用能陷振动模式的振子可以克服上述缺点。26、 什么是声外表波？为什么说声外表波器件比电磁波器件体积小很多？关于声外表波（SAW）：在外力或外电场 作用下，一些弹性固体（石英、锯酸锂、留酸锂、楮酸钿、 错钛酸铅等压电晶体）外表层内的质点产生周期性振动和传播，即是一种在固体外表发生弹性形变并沿 着外表层传播的一种机械波。这种外表波传播速度约为米/秒，属超声波。声外表波传播速度比电磁波小五个数量级。在同样的频率下，外表波的波长比电磁波波长小五个数 量级。因此声外表波器件与电磁波器件相比，具有体积小、重量轻等优点，有利于器件的小型化。27、 声外表波滤波器包括那几个基本组成局部？外表波器件的基本框架结构：在外表波器件中，对信号的处理过程是将电信号变成声信号，在介质 外表传播的声信号经处理后，再将声信号转换为电信号。因此，一个完整的声外表波器件必须包括输入 换能器、传播介质和输出换能器三部份。28、 声外表波器件的中心频率与什么结构参数相关？（举例计算）图9.5-4均匀叉指换能器参数示意图图9.5-4均匀叉指换能器参数示意图结构参数：1.叉指对数（即周期数）N； 2.换能器孔径（即有效指 条长度）W； 3,指条宽度a； 4.指条间隔b； 5.周期长度MVA/ = Ao = T对于均匀叉指换能器人叉指换中心频率fo,外表波速度Vs，周期长度M能器S）儿何结构S）儿何结构（b）脉冲响应I29、 声外表波叉指换能器的脉冲响应与换能器的结构关系如何？如果在均匀叉指换能器上加一个窄脉冲6，在接 收点的响应是一个正弦波，此正弦波的幅度与相应的指条 重迭长度成比例，其周期数目与叉指换能器的周期数目相 等。也即脉冲响应的幅度与周期和换能器叉指的位置一一 对应。叉指换能器脉冲响应的包络就是叉指重迭的包络线。 或者说，叉指换能器的脉冲响应就是其几何形状在时域上 的重现。因此，只要给出脉冲响应，就可以确定叉指换能器的几何结构。能器的几何结构。图9. 5-7叉指换能器的几何结构与脉冲响应H（co）= | h（t）e-Jotdt J-Xh（t） = J- |H（co）eJi,dco由四端网络的理论可知，一个系统的脉冲响应h（t）与频率响应H（3）之间的 关系为：即它们之间互为傅里叶变换和反变换。因此可由给定的H（3）求出h（t）, 进而确定叉指换能器的几何结构。30、 声外表波滤波器利用了压电材料的什么效应？当一个叉指换能器的汇流电极接于交变信号源时，指条之间的介质由于逆压电效应产生形变,激励的 声外表波在基片外表及靠近外表的浅层内沿着与指条垂直的两个相反方向传播，到达另外一个叉指换能 器的声外表波由于压电效应而在叉指上转换为电信号，并通过汇流电极输出到负载。31、 简述PZT压电陶瓷材料主晶相合成过程，写出相关化学反响式。ZT压电陶瓷合成工艺是在适当温度使原材料之间发生化学反响生成期望的PZT晶相成分，通常PZT 主晶相分步反响获得。xpb（Mg1/3Nb2/3）O3-yPbTiO3-zPbZrO3合成温度QC)合成温度QC)O 12481632保温时间（小时）A. PbO+TiO2-PbTiO3（区域II）B. PbTiO3+PbO+ZrO2-Pb（Zr»Ti）O3 （区域HI）问题:每个点的结果如 何得出?C. Pb（ZrI.zTik）O3 + PbTiO3 ->Pb（ZrhxTix）O3, （xX）（区域IV）图8. 1-2作为烧成温度函数的PbO:TiO-PbO:ZrO,系统中的相R余斗全程£爱代冷判断电子陶瓷材料的晶相组成通常采用什么手段？采用XRD法是分析晶体（单晶和多晶）材料晶相成分的最简单、有效的方法。32、 PZT压电陶瓷烧结过程中铅元素挥发对材料有何影响？可采取什么措施抑制铅挥发？（1）铅挥发对材料的影响：铅挥发导致组成偏离，可能导致产生非铁电相，降低压电性能；铅挥发 导致烧结体密度下降。（2）铅挥发的抑制措施：密闭烧结；熟料粉埋烧；加气氛片。无论如何不能完全防止铅挥发，除了 抑制措施外通常采取配方中PbO过量的方法降低铅挥发的影响。33、 制作压电陶瓷元件为什么需要经过极化工序？极化电场与该材料电滞回线上哪个参数相关？（1）极化是PZT陶瓷获得宏观压电性能的关键工艺步骤。压电陶瓷必须经过极化之后，使陶瓷内部 电畴定向排列，才具有压电性能。（2）压电陶瓷所需极化电场与其矫顽场强Ec和饱和场强eb密切相关。材料Ec、Eb越高所需极化场 强就越高。矫顽场强Ec与材料组成有关。Zr/Ti影响？软性添加物影响？硬性添加物影响？34、 压电陶瓷元件经交流电场处理后再极化有何效果？在进行极化以前样品先加一定的交流电场进行处理，然后再加直流电场进行极化，可以收到很好的 效果。对于一些高温时因电阻率太低不能进行高温极化的材料，交流处理效果显著。且频率较低时效果 更好。解释：（1）交流电场使自发极化方向屡次变化，形成不稳定状态，此时再加直流高压电场，就容易 使各电畴的自发极化轴按电场方向排列，因此能够提高极化的效果。（2）当交流电场频率太高时会导致 材料的疲劳和微裂纹的产生。使压电振动时的内摩擦增加机械品质因数Qm下降。35、 简述压电陶瓷高温极化原理。高温极化的工艺过程：将样品放到电炉加热到居里点以上（高于居里温度1020）,加上较弱的直 流电场3040V/mm）,接着使炉温以5/分的速度降温到居里点以下（例如小于200）,同时缓慢增加电 场到200V/mm左右，随后使炉温尽快地冷却到100左右（采用吹入室温空气的方法，同时使电场增加 到300V/mm左右，在100以下撤除外加电场。高温极化原理（解释）：（1）压电陶瓷从高温降温到其居里点时，发生顺电铁电相变。产生自发极化。高温极化方法就是 在铁电相形成的萌芽状态前就加上电场，使顺电-铁电相变在外加定向电场的作用下进行，电畴一出现 就有高度的择优取向。（2）在高温时，畴运动比拟容易，且晶体各向异性比拟小。电畴作90°转向不致受到很大的阻力。 所以只要很低的电场就可得到在低温时很高电场的极化效果。（3）另外，由于高温时晶体各向异向性比拟低，极化时畴转向所造成的应力和应变比拟小，因而样 品极化时发生碎裂的可能性比拟小。【个人附加的设计计算】（卢教授提纲并没有以下要求）_压电陶瓷带同滤波器的设计计算基础通常设计滤波器时中心频率带宽/，及所要求的矩形 系数K,可由此计算得到串臂和并臂振子的谐振频率和反 谐振频率力/2,以及机电耦合系数；根据中心频率可选择合 适的振动模式。具体计算：Jfo = fc9fc2因颂可得:=；Q（M）2+4/02A/；）几=：（）（"+V+M）K - fel -sfc2 fc Nc且:九二d Ai ,工2可得:几二4向7干需-Afc - K=为（"/疔+颂.Kfo = fr = fa2 frl = Zol fa 至此，我们即获得了 串臂和并臂振子的谐 振频率/；.源和反谐振 频率勿心，滤波器的设计计算举例需要设计一个丁型滤波器，要求其:中心频率4 = 1007%； 相对频宽纣= 10%矩形系数K = L05要求设计计算出串、并臂振子的谐振频率和反谐振频率。申臂振子的反谐振频率7H等于并臂振子的谐振频率心，都设计在4验证中心频率f。 验证频宽f 验证矩形系数K计算结果精确到 Hz即£=(=4=10心压;不适一颂勺=-(7(IOOOOx L()5)?+ 4x 1 ()0000 - 1000()x L05 = 94887”?,2=；【廊行而? +鼠勺=匕 J(1 OOOOx 1.05)2 +4x100000； +10000x1.05 = 105388":因止匕，*=105.388kHz, 12=94.887kHz压电陶瓷带同滤波器的设计计算基础振子的机电耦合系数k值要求可根据狐几42计算得到。如果采用平面振动可计算kp：V «2.53 P fr振子的相对带宽与滤波器的相对带宽之间的关系:frX 力 2州K /o 2