压电材料原理应用精选ppt课件.ppt

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1、为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益6.2 6.2 压电材料压电材料1 1为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益电介质材料电介质材料电电介介质质：在在电电场场作作用用下下，能能建建立立极极化化的的物物质质。通通

2、常常是是指指电电阻阻率率大大于于1010 cm的的一一类类在在电电场场中中以以感感应应而而并并非非传传导导的的方式呈现其电学性能的物质。方式呈现其电学性能的物质。电介质材料的主要效应：电介质材料的主要效应：压电性压电性-压电效应压电效应热释电性热释电性-热释电效应热释电效应铁电性铁电性-自发极化与铁电体自发极化与铁电体32种点群中，种点群中，21种点群没有对称中心，其中种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其种点群具有压电效应，其中只有中只有10种种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。是铁电体。2 2为了规

3、范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。自发极化自发极化3 3为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制

4、的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电效应压电效应：在20种晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。热释电效应：热释电效应：1010种种极性晶体具有自发极化，晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释热释电效电效应应铁电效应：铁电效应：极性晶体具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是具有电滞回线。压电、热释电和铁电效应的关系 电介质(绝缘体)与导体不同，带电粒子

5、被束缚在固定位置上，在电场作用下，仅能作微小的位移，即产生电电极化极化，但不产生电流，称这种性质为介电性4 4为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益极性晶体与非极性晶体在晶体的32种对称群中，有11种具有对称中心，晶格上为非极性原子或分子，在电性上是完全电中性的，称为各向同性介电体另有20种结构的晶体，其结构上无对称中心，在压力作用下可产生极化现象，此即压电效应极性晶体的极化可能是自发产生的极性晶体的极

6、化可能是自发产生的,此时在结构中产生永此时在结构中产生永久久偶极矩。偶极矩。当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向上的变化上的变化5 5为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益C热释电效应与铁电效应的实质两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自发极化偶极矩发生变化，从而

7、使晶体表面出现束缚电荷，即热释电效应；自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效应6 6为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益D压电、热释电和铁电效应的关系介电体介电体 压电体压电体 热释电体热释电体铁电体铁电体7 7为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事

8、业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益6.2.1 6.2.1 压电效应压电效应正压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。这种机械能转化为电能的现象称为现正负电荷。这种机械能转化为电能的现象称为“正压正压电效应电效应”。逆压电效应：逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些

9、变形或应力也随之消失。这种电能转化为机去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”。8 8为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益自由电荷自由电荷极化方向极化方向逆压电效应逆压电效应极化方向极化方向+释放电荷释放电荷正压电效应正压电效应力力9 9为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工

10、的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益1010为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益1111为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合

11、法权益+释放电荷释放电荷极性压电效应极性压电效应极化方向极化方向1212为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益极极化化方方向向+非极性压电效应非极性压电效应释放电荷释放电荷1313为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合

12、法权益压电效应可逆性压电效应可逆性 利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换1414为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电材料的压电材料的性能指标性能指标u压电常数压电常数d d3333u机电耦

13、合系数机电耦合系数K Kp pu机械品质因数机械品质因数Q Qm mu频率常数频率常数N N1515为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益1 1、压电常数、压电常数d d3333 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电反映力学量（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。场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，

14、则有以下关系式：式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。1616为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp

15、 p 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机压电材料进行机电能量转换能力的反映电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：或或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。1717为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益

16、为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益伸缩振动：伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。极化方向与电场方向平行时产生的振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。极化方向与电场方向垂直时产生的振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。弹性波传播方向与极化轴平行。横向效应：横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。弹性波传播方向与极化轴垂直。1818为了规范事业

17、单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益KpK33KtK15K311919为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益3 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m 工业上很多压电元件是利用工业上很多压电元件是利用谐振效应谐振效应而

18、形成的，比如压电滤波器、超而形成的，比如压电滤波器、超声换能器、压电谐振器。声换能器、压电谐振器。当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频率率frfr一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量，即产生机械损耗。消耗部分能量，即产生机械损耗。QmQm便是描述这种能量损耗的参数便是描述这种能量损耗的参数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Q Qm m是是反反映能量消耗大小映能量消耗大小的一个参数

19、。的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。越大，能量消耗越小。机械品质因数机械品质因数Q Qm m的的定义式是：定义式是：其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容2020为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障

20、用人单位和职工的合法权益4 4、频率常数、频率常数N N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即的乘积为一个常数，即频率常数频率常数N N。N=frl其中：其中：f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度。为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒细长棒K33振动振动N33=frl薄板切变薄板切变K15振动振动N15=frltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板的厚度l为棒的长度为棒的长度lt为薄板

21、的厚度为薄板的厚度2121为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益6.2.2 6.2.2 压电材料简要发展历史压电材料简要发展历史l1.1880 1.1880 年，居里兄弟发现了年，居里兄弟发现了石英晶体石英晶体存在压电效应后使存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。l2.1921 2.1921 年，年，J.Valasek J.Valasek 发

22、现了发现了水溶性酒石酸钾钠水溶性酒石酸钾钠具有压具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。次发现材料的铁电性。l3.1941-1949 3.1941-1949 年间，科研人员发现年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷具有铁电性具有铁电性能。能。2222为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益l4.1954 4.1954 年

23、美国的年美国的JaffeJaffe等发现等发现锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT）陶瓷的具有陶瓷的具有良好的压电性能。在以后的良好的压电性能。在以后的30 30 年间，年间，PZTPZT材料以其较强且稳材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器压电换能器的主的主要功能材料。要功能材料。l5.5.随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系高了，二元系PZTPZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发已经满足不了使用要求，于是研究和开发性能更加优越的性能更加优越的三元、四元

24、甚至五元压电材料三元、四元甚至五元压电材料。2323为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电材料应用：压电材料应用：机机-电耦合之间的纽带！电耦合之间的纽带！作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电频率器件（滤

25、波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电加速器，变压器等加速器，变压器等2424为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电材料分类：压电材料分类：压电单晶体：压电单晶体：有石英有石英(包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英)、水溶性压、水溶性压电晶体电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酸锤等)；多晶体压电陶瓷：多晶体压电陶瓷：

26、有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。高分子压电材料：高分子压电材料：极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。压电参数小，需极高压电参数小，需极高的极化电场的极化电场(MV/mm)(MV/mm)2525为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工

27、作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益石石英英晶晶体体化化学学式式为为SiO2，是是属属三三方方晶晶系系的的氧氧化化物物单单晶晶体体结结构构。天天然然结结构构的的石石英英晶晶体体外形是一个六角柱状外形是一个六角柱状6.2.3 6.2.3 石英晶体石英晶体1 1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应2626为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益石英晶体各个方向的特

28、性是不同的 x轴（轴（1轴）：轴）：经过六面体棱线并垂直于光轴的经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴称为电轴 y轴（轴（2轴）轴）：与与x和和z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y称为机械轴称为机械轴 z轴（轴（3轴）轴）：称为光轴称为光轴纵纵向向压压电电效效应应：通通常常把把沿沿电电轴轴x方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电效应称为电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”。横横向向压压电电效效应应：而而把把沿沿机机械械轴轴y方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力

29、作用时不产生压电效应。zxyo2727为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 石英晶体石英晶体(a)晶体外形；晶体外形；(b)切割方向；切割方向；(c)晶片晶片 2828为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 若

30、若从从晶晶体体上上沿沿y方方向向切切下下一一块块晶晶片片，当当沿沿电电轴轴x方方向向施施加加作作用力用力Fx时，在与电轴时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷，其大小为其大小为 d11x方向受力方向受力,x方向产生电量的压电系数方向产生电量的压电系数2929为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益若若在在同同一一切切片片上上，沿沿机机械械轴轴y方方向向施施加加作作用用力力Fy，则则仍

31、仍在在与与x轴轴垂直的平面上产生电荷垂直的平面上产生电荷qx，其大小为，其大小为 式中：式中：d12y轴方向受力，轴方向受力，x方向产生电量的压电系数，方向产生电量的压电系数，根据石英晶体的对称性，根据石英晶体的对称性，有有d12=-d11；a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。3030为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 当石英晶体沿当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿轴方向作用力时

32、，由于晶体沿x轴方向和轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即即dz=0y yx xz zO O3131为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 石石英英晶晶体体的的上上述述特特性性与与其其内内部部分分子子结结构构有有关关。图图2是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体体

33、的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子，在在垂垂直直于于z轴轴的的xy平平面面上上的的投投影影，等等效效为为一一个个正正六六边边形形排排列列。图图中中“+”代代表硅离子表硅离子Si4+，“”代表氧离子代表氧离子O2-。2 2 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理图图2图图13232为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益当石英晶

34、体未受外力作用时：当石英晶体未受外力作用时：正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120夹夹角角的的电偶极矩电偶极矩1、2、3。=ql q为电荷量，为电荷量，l为正负电荷之间距离为正负电荷之间距离。此此时时正正负负电电荷荷重重心心重重合合，电电偶偶极极矩矩的矢量和等于零。的矢量和等于零。即：即：1+2+3=0所所以以晶晶体体表表面面不不产产生生电电荷荷，即即呈呈中中性。性。3333为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社

35、会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 当晶体受到沿当晶体受到沿x轴方向的压力作用时：轴方向的压力作用时：晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形，正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。此此时时正正负负电电荷荷重重心心不不再再重重合合，电电偶偶极极矩矩在在x方方向向上上的的分分量量由由于于1的的减减小小和和2、3的的增增加加而不等于零。而不等于零。在在x轴轴的的正正方方向向出出现现负负电电荷荷，电电偶偶极极矩矩在在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。方向上的分量仍为零，不出现电荷。3434为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社

36、会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 当当晶晶体体受受到到沿沿y轴轴方方向向的的压压力力作作用时：用时：晶晶体体的的变变形形如如图图所所示示。1增增大大，2、3减小减小。在在x轴轴上上出出现现电电荷荷，它它的的极极性性为为x轴正向为轴正向为正电荷正电荷。在在y轴方向上仍不出现电荷。轴方向上仍不出现电荷。3535为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘

37、用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 如如果果沿沿z轴轴方方向向施施加加作作用用力力，因因为为晶晶体体在在x方方向向和和y方方向向所所产产生生的的形形变变完完全全相相同同，所所以以正正负负电电荷荷重重心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量和等于零量和等于零。这这表表明明沿沿z轴轴方方向向施施加加作作用用力力，晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。y yx xz zO Odz=03636为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关

38、系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 石石英英晶晶体体的的特特点点：性性能能非非常常稳稳定定，机机械械强强度度高高，绝绝缘缘性性能能也也相相当当好好。但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵贵，且且压压电电系系数数比比压压电电陶陶瓷瓷低低得得多多。因因此此一一般般仅仅用用于于标标准准仪仪器器或或要要求求较较高高的传感器中。的传感器中。因因为为石石英英是是一一种种各各向向异异性性晶晶体体，因因此此，按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片，其其物物理理性性质质（如如弹弹性性、压压电电效效应应、温温度度特特性性等等）相相差差很很大大。为为了了在在

39、设设计计石石英英传传感感器器时时，根根据据不不同同使用要求正确地选择石英片的切型。使用要求正确地选择石英片的切型。3737为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益晶体具有压电性的必要条件是：晶体具有压电性的必要条件是：晶体不具有对称中心晶体不具有对称中心。所有所有铁电体铁电体都具有压电效应和热释电效应。都具有压电效应和热释电效应。6.2.4 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷：是一种能够将机械能和电能互相转

40、换的功是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，一般能陶瓷材料，一般多晶体多晶体压电材料。压电材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。3838为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益铁铁电电材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴，在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在

41、在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈中中性，性，不具有压电性质不具有压电性质。铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理铁电陶瓷的压电效应机理与石英晶体不相同，未经极化处理的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。的铁电陶瓷材料是不会产生压电效应的。铁电陶瓷具有压电效应铁电陶瓷具有压电效应3939为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社

42、会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场后后，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强，就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场场方方向向。让让外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度，即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时，当当外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本不不变变化，

43、即剩余极化强度很大，这时的化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性材料才具有压电特性。4040为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益4141为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电陶瓷经极化处理后，剩余

44、极化强度会使与极化方向压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。图图 束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷4242为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了

45、规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益对对于于压压电电陶陶瓷瓷，通通常常取取它它的的极极化化方方向向为为z轴轴（3 3轴轴），垂垂直直于于z轴轴的的平平面面上上任任何何直直线线都都可可作作为为x（1轴轴）或或y轴轴（2轴轴）。当当压压电电陶陶瓷瓷在在沿沿极极化化方方向向受受力力时时，则则在在垂垂直直于于z轴轴的的上上、下下两两表表面面上上将将会会出出现现电电荷荷，其其电电荷荷量量qz与与作用力作用力F Fz成正比，即成正比，即式中：式中：d d3333 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F F F 作用力。作用

46、力。y yx xz zO O4343为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压压电电陶陶瓷瓷在在受受到到沿沿y方方向向的的作作用用力力F Fy或或沿沿x方方向向的的作作用用力力F Fx时时，在在垂垂直直于于z轴轴的的上上、下下平平面面上上分分别别出出现现正正、负负电荷电荷，其电荷量，其电荷量qz与作用力与作用力F Fy、F Fx也成正比，即也成正比，即式中式中 A z极化面面积；极化面面积；Ax、A y受

47、力面面积；受力面面积；d32、d31压电陶瓷的横向压电系数压电陶瓷的横向压电系数y yx xz zO O4444为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。转换性能。要求具有较高的要求具有较高的压电常数压电常数d。机械性能。机械性能。机械强度高、刚度大。机械强度高、刚度大。电性能电性能。高电阻率和高。高电阻率和高介电常数介电常数。环境适

48、应性。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。时间稳定性。要求压电性能要求压电性能不随时间不随时间变化。变化。压电材料特性压电材料特性4545为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益压电陶瓷材料：压电陶瓷材料：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常

49、数和较大的）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处倍）。不足之处是居里点温度是居里点温度低低（120），温度稳定性和机械），温度稳定性和机械强度强度不如不如石英晶体。石英晶体。4646为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTi

50、O3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb(Zr,Ti)O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影以上，各项机电参数受温度影响响小小，时间稳定性好。，时间稳定性好。在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中感器中应用最广泛的应用最广泛的压电材料。压电材料。4747为了规范事业单位聘用关系，建立