压电陶瓷之性能参数

生产任何一种压电元件，都希望选择适合元件要求的优质压电材料，靠什么来识别材料性能的优劣？通常是选定一些能反映材料性能的参数，这些参数的大小即标志材料性能的优劣。由于压电材料除了具有介电性质和弹性性质外，还具有压电性质。所以反映压电材料性质的参数就特别多，例如；

介电性质方面有：介电常数、介质损耗。

弹性性质方面有：弹性常数、机械品质因子。

压电性质方面有：压电常数、机械耦合系数。

压电陶瓷片

此外，还有居里温度、频率常数、密度以及与老化性能和温度性能有关的参数等。现分别介绍如下：

1. 介电常数

介电常数反映材料的介电性质，或者说反映材料的极化性质，通常用ε来表示介电常数。不同用途的压电元件，对材料的介电常数的要求也不相同。例如，陶瓷扬声器、送话器等要求材料的介电常数大一些好；高频压电元件则要求材料的介电常数小一些好。压电陶瓷的介电常数，随配方、工艺条件的不同而差别很大。

2. 介质损耗

压电元件在交变电压的作用下，工作一段时间后要发热。这表明，压电元件工作时，总有一部分电能要转变成热量。通常把在交流电压作用下，在单位时间内因发热而损耗的电能称为介质损耗。介质损耗是电介质的重要品质指标之一。例如，大功率换能器就要求材料介质损耗非常小，否则在工作中会由于剧烈发热而使换能器损坏。

引起介质损耗的原因是多方面的。在压电陶瓷中，主要原因有：

（1) 外加电压变化时，陶瓷内部的极化状态也要随之发生变化。当陶瓷内极化状态的变化跟不上外加电压的变化时，就要出现滞后现象，引起介质损耗。

（2) 由于陶瓷内存在漏电流而引起介质损耗。

（3）由于工艺不完善，使陶瓷结构不均匀而引起介质损耗。

3. 弹性常数

任何物体在外力作用下，都要发生不同程度的弹性形变，而弹性常数就是反映材料的弹性性质的参数。压电材料中用得最多的弹性常数是弹性柔顺常数，常用s表示。

4.机械品质因子

机械品质因子Qm表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小，是衡量压电材料性能的另一重要参数。产生机械损耗的原因是材料存在的内摩擦。当压电元件振动时，要克服摩擦而消耗能量。Qm与机械损耗成反比，Qm 大表示材料的机械损耗小；Qm小表示材料的机械损耗大。一般陶瓷的Qm因配方和工艺条件的不同而差别很大。例如，锆钛酸铅陶瓷材料的Qm 可在50~3000之间。

5. 压电常数

压电常数是压电材料所特有的一种参数，它反映材料“压”与“电”之间的耦合效应。所以，压电常数不仅与机械边界条件有关，而且与电学边界条件有关；或者说，不仅与应力、应变有关，而且与电场强度、电位移有关。

6.机电耦合系数

机电耦合系数k是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应，是生产上用得最多的一个参数。由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。机电耦合系数无单位。

7.频率常数

压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的乘积为一常数，称为频率常数N (kH·m) 。

由此可见，压电元件的频率常数只与材料的性质有关，与元件的外形尺寸大小无关。若知道材料的频率常数，即可根据所要求的频率来设计元件的外形尺寸。此外，还可以通过上式来计算材料的杨氏模量。