压电材料参数及压电方程

发布日期：2020-03-17 15:18　　　 浏览次数：次

 压电材料的参数及压电方程

 

一、压电方程

 

对于压电材料的性能，我们有以下四个方面的考虑：

 

1、压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力τ和应变e之间服从弹性关系：τ=ce 或 e=sτ式中c为弹性模量，又称弹性刚度常数或弹性劲度常数，表示物体产生单位应变所需的力；s为弹性顺从系数，又称弹性柔顺常数，表示材料的应力与应变之间的关系并且s=1/c

 

上述关系式的物理意义是：在弹性限度内，弹性体的应力与应变成正比。

 

 2、压电材料是铁电体，它在电学效应中，其电学参数-电场强度E和电位移强度D之间服从介电关系式：E=βD 或 D=εE，式中ε为电容率，又称介电常数（单位：法/米），它反映材料的介电性质，对压电体则反映其极化性质，与压电体附上电极所构成的电容有关，即电容C=εA/t，式中A为两极板相对面积，t为两极间距离或者说是压电晶片的厚度，因而与压电体的电阻抗有关。介电常数ε常用相对介电常数εr表示，其值等于同样电极情况下介质电容与真空电容之比：

 

εr=C介/C真空=ε介/ε真空 （ε真空=8.85x10-2法/米）

 

β为介电诱导系数，又称介电隔离率，它表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，并且β=1/ε，不过这个系数一般较少使用。

 

上述介电关系式的物理意义就是：当一个电介质处于电场E中时，电介质内部的电场可以用电位移D表示。

 

3、压电材料在磁学效应中有：B=μH，式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率

 

4、压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc，式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ为介质密度；c为材料比热。

 

对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认为在压电效应过程中无热交换（当然这并不确实，而仅仅是在简化分析时略去这两方面）。因此，一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学量--电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。处在工作状态下的压电体，其力学边界条件可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电学边界条件则有电学短路和电学开路两种情况，根据不同的边界条件，选择不同的自变量与因变量，就可以得到不同类型的压电方程。

 

（1）、假定在电输出短路，即电场强度E=0的条件下对压电体施加应力τ，有：D=dτ｜E=0，式中d称为压电常数，反映压电材料弹性性质与介电性质之间的耦合关系，它不仅与应力、应变有关，而且与电场强度、电位移强度有关，它又称为压电应变电场常数、压电模量、压电应变常数、压电发射系数等。

 

同样，压电体在应力τ作用下产生应变e时，有：D=ie，式中比例系数i也是压电常数，称为压电应力电场常数，也称为压电应力常数、压电发射系数等。

 

假定在电开路状态，即输出电流I=0的条件下对压电体施加应力τ，则有：E=-gτ｜I=0，式中的压电常数g称为压电应变电感应常数，也称为电场应力常数、压电应变常数、压电电压常数、压电接收系数等。

 

或者，压电体在应力τ作用下产生应变e时，有：E=-he，式中的压电常数h称为压电应力电感应常数，又称为压电应变常数、压电劲度常数、压电接收系数等。

 

上述四个方程式实际上都是反映正压电效应的情况。

 

（2）、假定压电体不承受外力，应力为零，即是τ=0，压电体可以自由形变，在此条件下施加电场，则：

 

应变e与电场强度E的关系为：e=dE｜τ=0，式中d为压电应变常数

 

应变e与电位移强度D的关系为：e=gD，式中g为压电电压常数

 

如果把压电体夹紧，使其不得形变，应变为零，即是e=0，在此条件下施加电场，则：

 

应力τ与电场强度E的关系为：τ=-iE｜e=0，式中i为压电应力常数

 

应力τ与电位移强度D的关系为：τ=-hD，式中h为压电应变常数

 

上述四个方程反映了逆压电效应的情况。

 

在实际应用中，总是力学量与电学量同时存在的，因此我们可以得到以下四组压电方程：注意通过压电

 

方程了解各参量之间的关系，主要应当了解其物理意义：

 

（1）、d型压电方程： e=sEτ+dE D=dτ+ετE 式中d为压电应变常数；sE=1/cE为电场强度E恒定时的弹性顺从系数（上标表示该参数恒定，以下均同）；ετ为应力τ恒定时的介电常数。

 

（2）、g型压电方程：e=sDτ+gD E=-gτ+βτD 式中g为压电电压常数；sD=1/cD为电位移强度D恒定时的弹性顺从系数；βτ=1/ετ为应力τ恒定时的介电诱导率。

 

（3）、i型压电方程：τ=cEe-iE D=ie+εeE 式中i为压电应力常数；cE为电场强度E恒定时的弹性模量；εe为应变e恒定时的介电常数。

 

（4）、h型压电方程：τ=cDe-hD E=-he+βeD 式中h为压电应变常数；cD为电位移强度D恒定时的弹性模量；βe=1/εe为应变e恒定时的介电诱导率。

 

上面的四组压电方程可得到如下解：

 

（1）、d=（δe/δE）τ=（δD/δτ）E （米/伏 或 库仑/牛顿）（这里用δ表示偏微分符号，下同）这表示应力不变时由电场引起的相对应变或电场强度不变时由应力引起的相对电位移。

 

（2）、g=（-δE/δτ）D=（δe/δD）τ （伏米/牛顿 或 米2/库仑）这表示电位移强度不变时由应力引起的电场强度变化（相对开路电压），或应力不变时由电位移强度引起的相对应变。

 

（3）、i=（-δτ/δE）e=（δD/δe）E （牛顿/伏米 或 库仑/米2）这表示应变恒定时由电场引起的相对应力，或者电场强度不变时由应变引起的相对电位移。

 

（4）、h=（-δE/δe）D=（-δτ/δD）e （牛顿/库仑 或 伏/米）这表示电位移强度不变时由应变引起的电场强度变化（相对开路电压），或应变恒定时由电位移强度引起的相对应力。

 

d和i代表了由电场引起的应变或应力变化，亦即逆压电效应。在实际应用中，它们反映了压电材料发射超声波的能力，特别是以d为最重要和最常用。d和i越大，意味着同样的电场强度产生的声压越大，或者说只要施加较小的交变电压，就能获得较大的振幅，也就是能获得较大的机械输出功率。

 

g和h代表了由应力或应变引起的电场强度变化，亦即正压电效应。在实际应用中，它们反映了压电材料接收超声波的能力，特别以g为最重要和最常用。g和h越大，意味着同样的应力或应变条件下产生的相对开路电压越高，或者说即使接收到较弱的超声波也能产生较大的相对开路电压，亦即接收灵敏度越高。

 

这四个参数间有如下换算关系：

 

d=ετg=ieE；g=βτd=heD；i=εeh=dcE；h=βei=gcD

 

二.压电参数

 

压电材料的压电参量之间有着复杂的关系，如上面所述的e=dE和E=-he两个关系式，比较一下似乎可以得出d=-1/h，实际则不然，因为前者是在τ=0的条件下给出的，而后者却是在I=0的条件下给出的，因此一般不能作这样简单的比较。此外，压电材料是各向异性晶体，它们的电学、力学和力电性能等是随电或机械激励源所沿方向的不同而各异的。因此，上述的力学参量（τ、e、c、s）、电学参量（E、D、ε、β）以及与力电联系的压电参量（d、g、i、h）实际上是有许多分量组成的张量。τ和e各有六个独立分量，则c和s就有36个分量；E和D各有三个独立分量，则ε和β就有9个分量。例如每一个e分量就与三个E分量有关：沿X方向的相对伸长e1（△l/l）与场强矢量在X、Y、Z三个方向轴上的分量E1、E2和E3有关。因此，原关系式e=dE实际上是：e1=d11E1+d21E2+d31E3

 

三个坐标轴方向的正应变（e1、e2、e3）与三个独立的切应变（e4、e5、e6）都以此形式与E相联系，则d系数就有3x6=18个分量，故还有：

 

e2=d12E1+d22E2+d32E3

 

e3=d13E1+d23E2+d33E3

 

e4=d14E1+d24E2+d34E3

 

e5=d15E1+d25E2+d35E3

 

e6=d16E1+d26E2+d36E3

 

这就是说，四个压电常数各联系三个电学分量和六个力学分量，因而它们各有18个分量。在表示方法上，通常是在参量符号的下标加以注明，如dij，i表示电学量（电场或电位移）分量的方向（有三个方向）；j表示力学量（应力或应变）分量的方向（有六个方向）。

 

然而，由于压电材料各有一定的对称性，这些分量未必都是独立存在的，有些可以是零，有些可以彼此相等或以一定关系式相联系，故实际上的独立分量要少得多，特定的晶体总是只涉及很少几个分量，在实用中计算起来并不复杂。通常可以把独立分量的数目减少到由一个弹性张量、一个介电张量和一个压电张量来决定压电材料的性质。在实际应用中常见的有“31”、“33”和“15”等几种分量。

 

在超声检测技术中主要应用的是在压电体极化方向（定义为第三方向或Z方向）上的厚度振动，因此在该极化方向上激励与变化的参量其下标即为“33”，如d33、g33等。对垂直于极化方向的另两个相互垂直的方向即定为“1”（或“X”）和“2”（或“Y”）方向。

 

我们确定有关的压电参数的物理意义如下：

 

（1）、应变电场常数d33 = e/E = W/U （米/伏）

 

在机械自由状态下（τ=0），沿极化方向施加电场引起沿极化方向的相对应变，或者说表征厚度方向上单位电压产生应变的大小；式中W为简单伸长（米），U为外加电压（伏）。

 

（2）、电场应力常数g33 = -E/τ = -U/P （伏米/牛顿）

 

在电开路状态下（I=0），沿极化方向施加应力引起沿极化方向的相对开路典雅，或者说表征厚度方向上单位应力产生开路电场强度的大小；式中U为开路电压，P为声压。

 

以上两个参量（d33、g33）是在电声换能器中主要的应用参量。

 

（3）、应力电场常数i33 = -τ/E （牛顿/伏米）

 

表征沿极化方向（厚度方向）上单位电场强度产生应力的大小。

 

（4）、电场应变常数h33 = E/e = U/△t （伏/米）

 

表征沿极化方向（厚度方向）上单位应变产生的相对开路电压大小。式中△t为厚度变化量，U为开路电压。

 

除了上述压电参数以外，表征压电体性质的重要参数还有：

 

（5）、介电常数ε

 

介电常数是综合反映介质电极化行为的一个重要的宏观物理量。在静电场下测定的介电常数称为静态介电常数，在交变电场下测定的介电常数称为动态介电常数，两者是不同的。动态介电常数的大小与测量频率有关。

 

（6）、弹性模量

 

压电效应产生的应变是在弹性应变范畴，显然其应变的状态将与材料的弹性模量密切相关。

 

（7）、频率常数N：单位Hz·m、MHz·mm和KHz·mm等

 

我们知道压电体的谐振频率不仅与材料本身特性有关，而且还与材料的外形尺寸有关，因此对其评价就很不方便。引入频率常数这个参数的目的就是避开材料外形尺寸的影响而仅作为与材料性质相关的一个压电性能参数以便于评价。根据压电体的不同振动模式，可以分为：

 

（a）厚度振动频率常数Nt=ft

 

（b）长度伸缩振动频率常数Nl=fl

 

（c）径向伸缩振动频率常数Nd=fd

 

式中f为谐振频率；t为振子厚度；l为振子长度；d为振子直径。

 

超声检测技术中主要应用的是厚度振动模式，以Nt为常用的重要参数，其谐振频率：f=（K/4π2M）1/2基频谐振时f=（1/2t）（c/ρ）1/2=C/2t 其中：K=n2（π2/2）（cA/t）；M=ρtA/2；W=K/M=2πf（圆频率）

 

式中：A为压电晶片面积；t为压电晶片厚度；n为倍频振动的倍数，当取基频振动时n=1；ρ为压电体密度；c为压电体沿振动方向轴的弹性常数；C为压电晶体中的声速（在厚度振动模式的情况下即是晶体中的纵波速度CL）。

 

根据C=λf（λ为波长），可知压电晶体以基频作厚度谐振时的厚度t=λ/2，由此可以确定某一基频谐振的压电晶片厚度。

 

例1：已知钛酸钡Nt=2520Hz·m，欲制作中心频率为2.5MHz的压电晶片，其晶片厚度应为多少？

 

解：Nt=2520Hz·m=2.52x106Hz·mm，且f=2.5MHz=2.5x106Hz，则t=Nt/f=1.008mm

 

例2：已知锆钛酸铅(PZT-5A)的CL=3780m/s，欲制作中心频率为5MHz的压电晶片，其晶片厚度应为多少？

 

解：CL=3780m/s=3.78x106mm/s，且f=5MHz=5x106Hz=5x106/s，λ=C/f，则t=λ/2=C/2f=0.378mm

 

（8）、介电损耗

 

电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并不是一下子就达到最终值，因为尽管分子（电畴）的取向会试图跟随电场方向，当它们这样做时，它们将受到材料的粘滞性所阻，要从电场中吸收能量，表现为经过一段弛豫时间，即极化是一种弛豫现象（极化弛豫）。如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与静态介电常数发生差异。供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的转动上并转变为热能而被消耗掉，引起介质损耗的另一原因则是介质漏电，尤其在高温和强电场作用下其表现更为显著，由于漏电，电能被转化成热能而消耗掉（电导损耗）。

 

我们可以用一个并联的损耗电阻Rn代表电能在介质中的消耗，则通过介质的电流可分成消耗能量的部分IR和通过介质纯电容不消耗能量的部分IC。我们以介质损耗角正切来表示：tgδ=IR/IC=1/ωC0Rn式中ω为交变电场的圆频率；C0为上了电极的介质样品的静电容值；δ即是电流对电压的滞后角介质损耗角正切又称为介质损耗、介质损耗因子，它与电场强度、温度及频率均有关。

 

（9）、电学品质因数Qe

 

介质损耗角正切的倒数即为电学品质因数：Qe=1/tgδ=ωC0Rn 在谐振时有：Qe=（π/4K2）（Zl/ZC）

 

式中K为机电耦合系数；Zl为负载声阻抗；ZC为压电体的声阻抗。

 

电学品质因数Qe的定义为：Qe=谐振时压电振子储存的电能/谐振时每周期内损耗的电能它反映了压电体在交变电场作用下消耗电能（转变为热能）的大小。Qe越大，意味着电能损耗越小。Qe的存在表明任何压电材料都不可能把电能完全转变成机械能，其能量损耗的原因即是上述的介质损耗。

 

（10）、机械品质因数Qm

 

压电体作谐振振动时，要克服内部的机械摩擦损耗（内耗），在有负载时还要克服外部负载的损耗，与这些机械损耗相联系的是机械品质因数Qmo（空载机械Q值）及Qm（有负载时的机械Q值）。它的定义为：

 

Qm=谐振时压电振子储存的机械能量/谐振时每周期内损耗的机械能量

 

它反映了压电体振动时克服机械损耗而消耗能量的大小。Qm越大，意味着机械能损耗越小。Qm的存在也表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全部用于输出。

 

在谐振时有：Qm=（π/2）[ZC/（Zl-Zb）]，式中ZC为压电振子的声阻抗；Zl为负载声阻抗；Zb则为压电换能器中阻尼块的声阻抗。

 

对于一个压电换能器而言，它的Qm和Qe并不是常量，它们与工作频率、频带宽度、压电换能器的制作工艺、结构、辐射介质（负载）等有关。

 

在超声检测技术中应用的压电换能器上，当Qm太高时，容易使振子产生的振动波形过长（振铃现象），导致波形失真和分辨率降低，同样，Qe也并非越大越好。Qm和Qe的选择与确定应当根据实际需要情况决定。Q值大，意味着压电效应过程中能量消耗小，在大功率和高频应用或者纯发射功率应用的情况下能减少发热量，这是有利的一面。但是对于以检测为目的的换能器，Q值大则对展宽频带、改善波形、提高分辨率等都是不利的。此外，由于Q值的大小还随负载性质而改变（例如水浸探头、接触法探头所面临的负载介质是不同的），在设计换能器时还必须考虑到负载媒介的影响（辐射阻抗问题）。

 

（11）、机电耦合系数K

 

这是从能量角度来考察压电材料的一个重要参量，它的定义是：

 

在正压电效应时，外电压E=0，有：K2=理想条件下储存于压电体中的电能/理想条件下输入到压电体中的总机械能

 

或者说是：K2=引起电荷在连接的电极间移动的被转换的机械能/与施加应力相随的输入机械能在逆压电效应时，外应力τ=0，有：K2=理想条件下储存于压电体中的机械能/理想条件下输入到压电体中的总电能或者说是：K2=引起机械应变的被转换的电能/输入电能在压电晶体中同时存在弹性、介电性和压电性，它们同时发生作用。为此，需要引入这个物理量来统观这些特性，它表示机械能与电能之间耦合强弱的程度。从物理意义上讲，它只说明转换而不等于效率，而且转换后的能量并不一定完全转换成辐射或输出的能量（还包括有内耗及反馈等）。当然，从某种意义上讲，也可以说机电耦合系数K表示了压电体把电能转换成弹性能，或者把弹性能转换成电能的“效率”，它主要由压电材料的种类确定，而且还依赖于压电体的振动模式，但与换能器的谐振频率数值无关。此外，K值还取决于压电换能器的结构、工作条件以及压电体的电极尺寸和位置。

 

我们可以把压电材料中的能量密度U（单位体积内具有的能量）分为三部分，一部分是弹性能量密度Ue，一部分是电场能量密度（介电能量密度）Ud，一部分是压电互换能量密度Um（略去热能与磁能项目）。

 

这里的第一部分即是材料的力学部分--机械弹性能量，第二部分是电学部分--电场能量，而第三部分是弹性能与介电能相互作用的能量密度。总内能则有：

 

U=Ue+Ud+2Um

 

由于考虑到压电能是互换能量，故取两倍，因此，我们可以用另一种方式来定义机电耦合系数：K=Um/（UeUd）1/2

 

或者：K=压电能/弹性能与介电能的几何平均值选用弹性能与介电能几何平均值的原因是考虑到了压电晶体各微小部分的能量分布不均匀。这样，我们可以说，单位体积内的压电材料中可以进行压电转换的能量与不能进行压电转换的能量之比就是机电耦合系数，如Ud和Ue是不能进行压电转换的，但它们却又不是能量损耗。对具体材料而言，如石英的能量损耗很小，转换效率很高，但它的机电耦合系数却低于压电陶瓷，而压电陶瓷的转换效率并不高，可是它的能量中有较大的部分可以进行压电转换，也就是它的机电耦合系数高。从这里我们可以认识机电耦合系数与效率的区别。

 

机电耦合系数是能量之比，无量纲，而且其最大值为1，当K=0时则意味着无压电效应发生。常见的机电耦合系数有以下几种：

 

（1）、径向振动机电耦合系数Kp（又称平面机电耦合系数）：反映薄圆片形压电晶体作径向伸缩振动时的机电耦合效果，其条件是晶片直径≥3倍晶片厚度t，其厚度方向为极化方向和施加电场方向。

 

（2）、横向振动（横向长度振动）机电耦合系数K31：反映以厚度方向为极化方向的长薄片形压电晶体沿长度方向伸缩振动时的机电耦合效果，条件是薄片长度l≥3倍的薄片宽度和厚度。

 

（3）、纵向振动（纵向长度振动）机电耦合系数K33：反映细长棒形压电晶体沿厚度方向极化，而电场方向与极化方向相同时，沿长度方向伸缩振动的机电耦合效果，条件是长度l≥3倍的棒宽度与厚度或者直径。

 

（4）、厚度振动机电耦合系数Kt：反映沿厚度方向极化且电场方向也沿厚度方向的薄片形压电晶体沿厚度方向伸缩振动的机电耦合效果，条件是晶片厚度小于晶片边长或直径。

 

（5）、厚度切变振动机电耦合系数K15：反映压电晶体作厚度切变振动的机电耦合效果。

 

综上所述，我们可以总结出在超声检测的实际应用中选择压电材料制作压电换能器时主要的选择原则如下：

 

（1）、d33--d33值越大，表明发射性能越好。显然，欲制作发射换能器时应选择d33值尽可能大的材料为好；

 

（2）、g33--g33值越大，表明接收性能越好。显然，欲制作接收换能器时应选择g33值尽可能大的材料为好；

 

在需要制作发射与接收兼顾的换能器时，作为综合考虑，应选择d33与g33值比较接近且尽可能大为好。

 

（3）、声阻抗Z（Z=ρc）--考虑到超声波的反射率和透过率均与介质与介质间的声阻抗差异大小有关，声阻抗的差异越小，超声波的透过率越高。为使压电换能器产生的超声波尽可能多地进入被检介质，应选取声阻抗与接触介质声阻抗尽量接近的压电材料。应当注意的是：电场的存在会影响压电材料中的表观声速，以至在工作状态下压电材料的声阻抗会有所变化。

 

（4）、厚度振动机电耦合系数Kt--在超声检测技术中，最主要应用的是厚度振动型压电晶片，因此Kt值越大，表明机电转换性能越好，也就是换能器的灵敏度越高。

 

（5）、径向振动机电耦合系数Kp--压电晶片在作厚度振动时，也有径向振动同时存在，它对厚度振动会发生干扰而导致波形失真、杂波增多或增大等，为此希望Kp值应越小越好。

 

在综合考虑时，通常取Kt/Kp值越大越好。

 

（6）、介电常数ε--压电晶片涂附电极后即构成一个电容器，其电容量的大小符合C=εA/t，即与介电常数ε、电极相对面积A和电极间距（晶片厚度）t相关。在电路中，电容量小时意味着容抗大，适合用作高频压电元件，特别是超声检测换能器多工作在兆赫兹频率范围，因此要求压电材料的ε小些为好。相反，在用于制作低频压电元件（如音频范围的扬声器、话筒等）时，则宜选用ε较大的材料以满足大容量、低容抗的匹配要求。

 

应当注意到：ε的数值还与换能器的机械自由度有关，即机械夹紧状态与机械自由状态的介电常数是不同的，故有εe、ετ的区别。此外，ε与频率的关系也比较敏感，故要以具体工作频率为条件实际测定ε值。意味着相同厚度的压电晶片有较高的谐振频率，或者说在同一谐振频率下其晶片厚度较大，从而便于加工制作高频元件，故应选择Nt值较大的材料为好。

 

（8）、铁电居里点Tc--铁电晶体只在某一温度范围内具有铁电性，当温度达到铁电居里点时，晶体将失去铁电性，并且晶体的介电、压电、光学、弹性以及热学等性质均出现反常现象。大多数铁电体只有一个居里点，但有少数铁电体具有上、下居里点，它只在上、下居里点之间的温度范围内具有铁电性。例如锆钛酸铅的上居里点在115-120℃，下居里点在-5℃，若在钛酸钡中添加5%的钛酸钙，则其下居里点可到-40℃。

 

此外，也有一些铁电体是没有居里点的，如一些特殊的高分子压电材料（因达到某一温度时即已发生融化甚至烧毁）。

 

需要注意的是：在实际温度尚未达到居里点时，许多压电换能器的压电性能（如Kt等）就已显著下降或恶化（例如钛酸钡探头在60-70℃即恶化），而且它可工作的最高温度也不等于能经受骤然的温度变化，这是因为存在包括热膨胀系数在内的各向异性所造成的。因此，在实际使用换能器工作以及制作换能器过程中的焊接电极引线、浇灌吸收块时的加温等有较高温度存在的情况下，必须予以充分注意。在选择压电材料时，应根据换能器的工作条件具体考虑。

 

（9）、机械品质因数Qm和电学品质因数Qe--在实际应用中，若Qm和Qe值较大时，将会有“振铃”现象存在，导致波形失真、分辨率降低等不利于检测的情况产生。因此，从检测技术的需要出发，为了真实反映回波信号特征，保证检测分辨率满足检测要求，一般不希望Qm和Qe太大，除了在选材时予以考虑外，在设计制作换能器时，常常需要通过结构上加大阻尼，电路上改变阻抗等办法来适当降低Qm和Qe值。当然，降低Qm和Qe值是以牺牲灵敏度（降低输出功率）为代价的。因此，应按实际应用的需要来选择和调节适当的Q值（根据经验，超声检测换能器的实际Q值不宜大于10）。

 

（10）、压电材料的老化性能--极化后的压电材料其压电性能会随时间的推移而有不可逆的变化，这种现象称为“老化”，如介电常数、介电损耗、压电常数、机电耦合系数及弹性等通常随时间推移而变小，频率常数和机械Q值会随时间推移而增大。这些参数的变化基本上与时间的对数值有线性关系。一般以十年为一个单位来考虑，称为“十年老化”。显然，这个指标反映了压电材料的时间稳定性，在制作压电换能器时也应适当考虑选择时间稳定性较好的材料。在具体的超声换能器上，这种老化现象会具体表现在灵敏度、始波占宽、电噪声水平等，因此对于换能器的选购和储存时也应注意到时效的影响。

 

（11）、压电材料的热稳定性--这是指压电材料在居里点以下的一定温度范围连续工作一段时间后其压电性能不变或无退化的特性，特别对于高温环境下工作的换能器，应选取热稳定性好的材料。

 

以上11项是我们选择压电材料制作超声检测换能器时的主要考虑因素和选择原则，应视具体应用情况和需要作综合考虑，适当选择。

 

三.压电材料的分类

 

1.第一类压电材料--压电单晶

 

这是天然形成或人工制成的、具有各向异性的单晶铁电体材料，它具有的压电效应是基于组成晶体结构的点阵上正负离子相对位置变化而引起的。常用的压电单晶有：

 

石英（SiO2）：这是天然形成或人工培育（人造水晶）的晶体，均匀性好，居里点高；阻抗高，机械Q值（Qm）大；硬度高、耐磨性好；不会潮解；性能极稳定，老化极慢极小，而且其性能随温度的变化极小，可获得不随时间而变的线性频率温度系数；损耗小，可用于极高的频率；绝缘性能好，能在高电压下使用；能用于较高和极低的温度环境等。由于石英具备了许多优越的性能，故至今仍被广泛应用，特别是用作标准换能器以及例如电脑设备中的时间振荡器等。它的缺点是机电变换效率低，使系统回路的增益较低。

 

铌酸锂（LiNbO3）：这是人工培育的铁电单晶，直径可达120mm。铌酸锂可被用于直接激发超声横波且机电耦合系数很高，具有优越的压电性能，它的Qm值相当大，居里点很高，能在高温下使用，极化稳定，超声传播损失小，不潮解，频率常数很大，可用于制作超高频的换能器等等。因此，它已被用作声表面波换能器的常用基本材料，当用作体积波换能器时能获得比常用压电陶瓷换能器还要好的灵敏度，也用作超声测厚以及窄脉冲换能器。

 

α碘酸锂（α-LiIO3）：这也是人工单晶，它的机械性能较好，容易加工，能溶于水但不易潮解，物理化学性能比较稳定，压电性能优良，特别是具有高的机电耦合系数和低的介电常数，并且Qm值相当低，很适合制作高灵敏度、高分辨率的宽带换能器及延迟线，例如制作超声测厚以及窄脉冲换能器。

 

此外还有接收性能良好的硫酸锂（Li2SO4）等。

 

2.第二类压电材料--压电陶瓷

 

这是通过粉末烧结方法人工焙烧制成的多晶铁电体材料，它具有的压电效应是基于电致伸缩效应，其压电性能随烧结工艺和配方成分的不同而存在差异，因此其种类繁多且性能也互有出入。

 

例如：将材料研磨到400目，加粘合剂，加压，高温焙烧成块，再锯切研磨抛光成压电陶瓷晶片成品。

 

压电陶瓷易于制成各种形状，可以多种振动模式振动以适应于各种用途，具有较高的机电耦合系数，较高的回路增益和灵敏度，这是它的重要优越性。

 

常用的压电陶瓷有：

 

钛酸钡（BaTiO3）：这是用二氧化钛（TiO2）与碳酸钡（BaCO3）在高温下混合烧结而成的，这是较早期使用的压电陶瓷，它的居里温度低，温度依赖性大，并且时间稳定性和热稳定性较差，现在仍有用于声纳辐射器和超声换能器的。

 

锆钛酸铅[Pb（ZrxTi1-x）O3]：（x＜1），代号PZT，有多种配方并各有特点，是目前最常用的压电陶瓷。

 

PZT系列的主要特点是机电耦合系数高，而其中的PZT-4为发射型，它的高激励特性好（Qm值较高，内部损耗小等），适用于声纳辐射器、超声换能器、高压发生器以及大功率换能器等。PZT-5为接收型，它的介电常数高，老化小，Qm值低，适用于水听器、超声换能器、电唱机拾音器、微音器以及扬声器元件，还适用于宽带脉冲型检测等。此外还有：PZT-2，PZT-5A，PZT-5H，PZT-6A，PZT-7A，PZT-8...等等。

 

除了上述这些以外，压电陶瓷的品种还有钛酸铅（PbTiO3）、铌酸铅（PbNbO3）、偏铌酸铅（PbNb2O6）（Qm值较低，适用于制作窄脉冲的超声纵波换能器）、偏铌酸铅钡[（Pb0.6Ba0.4）Nb2O6]、铌酸钾钠[（Na0.5K0.5）NbO3]等等。

 

新发展的三元系压电陶瓷，是由三元组成的，第一元是新添元素，成分百分比以x表示，第二元为钛酸铅（PbTiO3），其百分比用y表示，第三元为锆酸铅（PbZrO3），其百分比用Z表示，此外还添入了少量杂质和替代物。例如：铌镁酸铅系[xPb（Mg1/3Nb2/3）O3]：具有径向振动机电耦合系数（Kp）高，介电常数高，Qm值较大，稳定性较好的特点，某些配方还可达到机械强度，特别是抗弯强度很高，可用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线以及引燃引爆器等。

 

铌锌酸铅系[xPb（Zn1/3Nb2/3）O3]：具有高的径向振动机电耦合系数和较低的Qm值（添加一些MnO2或NiO2则可提高Qm达到200），有较高的温度稳定性，适用于滤波器材料。

 

铌钴酸铅系[xPb（Co1/3Nb2/3）O3]：其径向振动机电耦合系数Kp和Qm值均较高，可用作超声振子和变压器、滤波器、拾音器等。

 

铌锰酸铅系[xPb（Mn1/3Nb2/3）O3]：Qm值高、时间稳定性好、介电常数较低、径向振动机电耦合系数Kp中等，适合作滤波器和延迟线振子。

 

铌锑酸铅系[xPb（Sb1/2Nb1/2）O3]：Kp值高、稳定性较好、Qm值大，频率温度系数很小。

 

锑锰酸铅系[xPb（Mn1/2Sb1/2）O3]：Kp调节范围大、Qm值很高，介质损耗小，稳定性良好。

 

钨锰酸铅系[xPb（Mn1/2W1/2）O3]：击穿电压极高，Qm值很大，Kp值大，而且谐振频率温度稳定性好。

 

铌镍酸铅系[xPb（Ni1/3Nb2/3）O3]：介电常数很大，Kp中等，声频特性好。

 

钨镉酸铅系[xPb（Cd1/2W1/2）O3]：频率的温度与时间稳定性好。

 

镁碲酸铅系[xPb（Mg1/2Te1/2）O3]：可耐反复加压，电、机性能老化小。

 

此外还有锂锑酸铅系[xPb（Li1/4Sb3/4）O3]和锂钽酸铅系[xPb（Li1/4Ta3/4）O3]，具有稳定性好，Qm值低，适用于水声换能器。

 

除了三元系压电陶瓷外，现又发展了性能优良的铌镍-铌锌-钛-锆酸铅四元系压电陶瓷。

 

3.第三类压电材料--极性高分子压电材料

 

这是具有压电效应的新型人工合成的半结晶性聚合物，称为极性高分子聚合物，其压电效应是基于有极分子的转动，目前以聚偏氟乙烯（PVDF）性能最好。

 

PVDF（-CH2-CF2-）是最有极性的高分子聚合物之一。在低于100℃温度下将PVDF薄膜拉伸到原来的几倍长，即得到β型（PVDF的一种结晶形式）薄膜，施以电极（通常为铝），在高直流电场中极化（温度在80-150℃），将获得压电性能，它可以有效地用作声接收器，有良好的热稳定性，此外，材料可弯曲，声阻抗小，与水匹配较好，特别适用于水听器以及医学超声诊断声场测试用的换能器。压电薄膜材料的缺点是信噪比尚不理想，机电耦合系数还不够大，而且机械和介电损耗比较大。此外，由于品质因素（Qm、Qe）较小，故不适用于需要尖锐共振之处，也不适用于大输入和连续工作，因为它在80℃以上温度下长时间使用时，其压电效果减小。

 

另外极性高分子压电材料还有聚氟乙二烯（PVF2）等。

 

4.第四类压电材料--复合压电材料及氧化锌压电薄膜

 

复合压电材料是将强介电性陶瓷微粒分散混合于高分子材料中而构成的，其处理和使用与高分子压电材料一样，其压电性能不仅依赖于陶瓷粒子，也和作为基体的高分子材料的种类有很大关系，特别是和PVDF及氟化亚乙烯基等介电率高的高分子的复合系，可用作强压电性材料。这种压电材料无需像其他高分子压电体那样作延伸处理，内部各向同性，随基体高分子种类的变化，可获得较大的弹性率变化范围，特别是可以热压成型，实用上很方便。如PVDF和PZT系的复合材料，其压电性能和介电性能很稳定，这类材料已达实用阶段，在应用方面与压电高分子聚合物材料很相似。

 

氧化锌（ZnO）压电薄膜（利用真空喷涂工艺制成）用于超高频超声波发生与接收换能器，可用于30-3000兆赫兹频段且效果很好，它能用于物质特性的研究、超声延迟线、声光器件、通讯和信息处理以及超声显微镜等，具有频带宽，电声转换效率好，与激励电路容易匹配等。

 

除此以外，还有硫化镉（CdS

(责任编辑：admin)