壓電陶瓷的測(cè)試(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第二章 壓電陶瓷測(cè)試2.4 NBT基陶瓷的極化與壓電性能測(cè)試2.4.1 NBT基陶瓷的極化1. 試樣的制備為對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化和性能測(cè)試，燒結(jié)后的陶瓷需要進(jìn)行燒銀處理。燒銀就是在陶瓷的表面上涂覆一層具有高導(dǎo)電率，結(jié)合牢固的銀薄膜作為電極。電極的作用有兩點(diǎn)：（1）為極化創(chuàng)造條件，因?yàn)樘沾杀旧頌閺?qiáng)絕緣體，而極化時(shí)要施加高壓電場(chǎng)，若無電極，則極化不充分；（2）起到傳遞電荷的作用，若無電極則在性能測(cè)試時(shí)不能在陶瓷表面積聚電荷，顯示不出壓電效應(yīng)。首先將燒結(jié)后的圓片狀樣品磨平、拋光，使兩個(gè)平面保持干凈平整。然后在樣品的表面涂覆高溫銀漿（武漢優(yōu)樂光電科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)：SA-8

2、021），并在一定溫度干燥。將表面涂覆高溫銀漿的樣品放入馬弗爐進(jìn)行處理，慢速升溫到320350，保溫15min以排除銀漿中的有機(jī)物，快速升溫到820并保溫15min后隨爐冷卻，最后將涂覆的銀電極表面拋光。2. NBT基壓電材料的極化利用壓電材料正負(fù)電荷中心不重合，對(duì)燒成后的壓電陶瓷在一定溫度、一定直流電場(chǎng)作用下保持一定的時(shí)間，隨著晶粒中的電疇沿著電場(chǎng)的擇優(yōu)取向定向排列，使壓電陶瓷在沿電場(chǎng)方向顯示一定的凈極化強(qiáng)度，這一過程稱為極化 70。極化是多晶鐵電、壓電陶瓷材料制造工藝中的重要工序，壓電陶瓷在燒結(jié)后是各向同性的多晶體，電疇在陶瓷體中的排列是雜亂無章的，對(duì)陶瓷整體來說不顯示壓電性。經(jīng)過極化處理

3、后，陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋缘亩嗑w，即宏觀上具有了極性，也就顯示了壓電性。對(duì)于不同類型的壓電陶瓷，進(jìn)行合適的極化處理才能充分發(fā)揮它們最佳的壓電特征。決定極化條件的三個(gè)因素為極化電壓、極化溫度和極化時(shí)間。為了確定NBT基壓電材料的最佳極化條件，本文采用硅油浴高壓極化裝置（華儀電子股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)：7462）詳細(xì)研究了樣品的極化行為，并確定了最佳的極化條件。2.4.2 NBT基陶瓷的壓電性能測(cè)試1壓電振子及其等效電路圖2.11 壓電振子的等效電路利用壓電材料的壓電效應(yīng)，可以將其按一定取向和形狀制成有電極的壓電器件。輸入電訊號(hào)時(shí)，若訊號(hào)頻率與器件的機(jī)械諧振頻率fr一致，就會(huì)使器件由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)

4、生機(jī)械諧振，器件的機(jī)械諧振又可以由于正壓電效應(yīng)而輸出電訊號(hào)，這種器件稱為壓電振子，廣泛用于制作濾波器、諧振換能器件和標(biāo)準(zhǔn)頻率振子。在其諧振頻率附近的電特征可用圖2.11來表示，它由電容C1，電感L1和電阻R1的串連支路與電容C0并聯(lián)而成，在諧振頻率附近可以認(rèn)為這些參數(shù)與頻率無關(guān)。2壓電材料的性能測(cè)試壓電參數(shù)的測(cè)量以電測(cè)法為主。電測(cè)法可分為動(dòng)態(tài)法、靜態(tài)法和準(zhǔn)靜態(tài)法。動(dòng)態(tài)法是用交流信號(hào)激勵(lì)樣品，使之處于諧振及諧振附近的狀態(tài)，通過測(cè)量其特征頻率，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算便可獲得壓電參量的數(shù)值71。本實(shí)驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)試儀（中國科學(xué)院聲光研究所制造，型號(hào)：ZJ-3A）測(cè)量樣品的壓電常數(shù)，采用HP4294A

5、精密阻抗分析儀測(cè)量樣品的電容CT與介質(zhì)損耗tan，根據(jù)樣品的頻率-阻抗譜得到串聯(lián)諧振頻率fs、并聯(lián)諧振頻率fp和串聯(lián)諧振電阻R1，并根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法（GB2414-81）（以下簡稱為測(cè)試方法）計(jì)算出其它各壓電參數(shù)的值。(1) 介電常數(shù)介電常數(shù)是綜合反映電介質(zhì)材料的介電性質(zhì)或極化行為的一個(gè)宏觀物理量，它表示材料兩電極間的電介質(zhì)的電容與真空狀態(tài)時(shí)電容的比值1。本實(shí)驗(yàn)采用相對(duì)介電常數(shù)33T/0來表征材料的介電性能，作如下計(jì)算：33T/0 = 其中，D為樣品的厚度，A為樣品電極面積，d為樣品的直徑，CT為樣品的電容，0為真空介電常數(shù)，其值為8.854×10-

6、12 F/m。(2) 介質(zhì)損耗tan介質(zhì)損耗主要是由極化弛豫和介質(zhì)漏電引起的。通常以電介質(zhì)中存在一個(gè)損耗電阻Rn來表示電能的消耗。把通過介質(zhì)的電流分成消耗能量的部分IR和不消耗能量的部分IC（即通過介質(zhì)純電容部分），定義介質(zhì)損耗正切角為：tan= IR / IC = 1 / wCRn（w代表交變電場(chǎng)的角頻率）。(3) 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm表征壓電體諧振時(shí)因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量，其定義為諧振時(shí)壓電振子內(nèi)儲(chǔ)存的電能Ee與諧振時(shí)每個(gè)周期內(nèi)振子消耗的機(jī)械能Em之比。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm也是衡量壓電陶瓷的一個(gè)重要參數(shù)，它表示在震動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，材料內(nèi)部能量損耗程度。不同的壓電器件對(duì)壓電陶瓷材料的Qm

7、值有不同的要求，多數(shù)的陶瓷濾波器要求壓電陶瓷的Qm值要高，而音響器件及接收型換能器則要求Qm值要低2。根據(jù)等效電路和測(cè)試方法，Qm可用下式計(jì)算：Qm = 其中，CT為電容，fs為串聯(lián)諧振頻率，fp為并聯(lián)諧振頻率，R1為串聯(lián)諧振電阻。 (4) 頻率常數(shù)N壓電材料頻率常數(shù)N是指振子諧振頻率fr與主振動(dòng)方向長度（或直徑）的乘積。由于諧振頻率與壓電振子主振動(dòng)方向的長度成反比，所以頻率常數(shù)N與振子尺寸無關(guān)，只與壓電材料的性質(zhì)、震動(dòng)模式有關(guān)。對(duì)于薄圓片徑向伸縮震動(dòng)模式的壓電振子，頻率常數(shù)Np = fsd。其中，fs為串聯(lián)諧振頻率，d為樣品的直徑。(5) 機(jī)電耦合系數(shù)k機(jī)電耦合系數(shù)k是表征壓電材料的機(jī)械能與

8、電能相互轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)，是衡量材料壓電性強(qiáng)弱的重要參數(shù)之一。k越大，說明壓電材料機(jī)械能與電能相互耦合的能力越強(qiáng)。k定義為：k2 = 被轉(zhuǎn)換的電能（機(jī)械能）/ 輸入的總機(jī)械能（電能）根據(jù)測(cè)試方法，本實(shí)驗(yàn)采用HP4294A精密阻抗分析儀測(cè)得樣品的串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp，算出f / fs（式中f =fs - fp）的值，通過查kpf / fs對(duì)應(yīng)數(shù)值表，確定kp的值。(6) 壓電常數(shù)d33壓電常數(shù)是壓電材料把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑虬央娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換系數(shù)，它反映壓電材料機(jī)械性能與介電性能之間的耦合關(guān)系。壓電系數(shù)越大，表明材料機(jī)械性能與介電性能之間的耦合越強(qiáng)2。本實(shí)驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)試儀

9、測(cè)量樣品的壓電常數(shù)。測(cè)量原理是將一個(gè)低頻（幾赫茲到幾百赫茲）震動(dòng)的應(yīng)力同時(shí)施加到待測(cè)樣品和已知壓電系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品上，將兩個(gè)樣品的壓電電荷分別收集并作比較，經(jīng)過電路處理，得到待測(cè)樣品的d33值，同時(shí)表示出樣品的極性71。2.5 NBT基陶瓷的鐵電性能測(cè)試2.5.1 鐵電體的電滯回線晶體在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，并且自發(fā)極化的方向能隨外電場(chǎng)轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)向，這類晶體被稱為鐵電體。鐵電體的重要特征之一是具有電滯回線（Ferroelectric hysteresis）。圖2.12為鐵電體的電滯回線，它表明外加電場(chǎng)E與極化強(qiáng)度P之間的非線性關(guān)系。當(dāng)外加電場(chǎng)E增大時(shí)，鐵電體在外電場(chǎng)方向的極化強(qiáng)度P也隨外電場(chǎng)

10、增大，到C點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大極化強(qiáng)度Pmax。當(dāng)外加電場(chǎng)減小為0時(shí)，鐵電體具有的極化強(qiáng)度稱為剩余極化強(qiáng)度Pr。將電滯回線的線性部分CD延長，與極化強(qiáng)度軸的交點(diǎn)稱為飽和極化強(qiáng)度Ps。改變電場(chǎng)方向至Ec時(shí)，極化強(qiáng)度才下降為0，Ec稱為矯頑場(chǎng)75。 鐵電體的電滯回線能夠最全面地反映自發(fā)極化的存在及其宏觀特性。電滯回線上所顯示的各個(gè)特征，對(duì)鐵電材料的研制、結(jié)構(gòu)的分析、極化條件的選擇、鐵電體的應(yīng)用及鐵電理論的檢驗(yàn)都具有很大的意義。 圖2.12 鐵電體的電滯回線2.5.2 NBT基陶瓷的鐵電性能測(cè)試測(cè)量電滯回線的基本電路位Sawyer-Tower回路。其基本原理為：在鐵電體上施加一個(gè)交變電壓，觀察流過鐵電體的電流隨外加電場(chǎng)的變化。流過鐵電體的電流分為傳導(dǎo)電流和位移電流兩部分，傳導(dǎo)電流決定于被測(cè)鐵電材料的漏電，而位移電流主要決定于鐵電材料中自發(fā)極化（或電疇）的轉(zhuǎn)向情況，反映在電極上自由電荷的變化（dQ/dt）。由于鐵電體的外加電場(chǎng)E與極化強(qiáng)度P之間存在強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，這種關(guān)系也就可以反映在外加電場(chǎng)和位移電流