《電子材料》試題及答案第7章壓電陶瓷

第7章壓電陶瓷試題及答案

1.什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？晶體具有壓電效應(yīng)的必要條件

是什么？解：正壓電效應(yīng)是指在沒有對(duì)稱中心的晶體上施加機(jī)械

作用時(shí)（在外力作用下發(fā)生形變），發(fā)生與機(jī)械應(yīng)力成比例的介質(zhì)

極化，同時(shí)在晶體的兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷。

逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，則產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比

例的變形或機(jī)械應(yīng)力。

晶體具有壓電效應(yīng)的必要條件是不具有對(duì)稱中心。

2.為什么BaTio3晶體在室溫下具有壓電效應(yīng)?為什么極化前的

BaTio3陶瓷不具壓電效應(yīng)?采取何種途徑使BaTiO3陶瓷具有壓

電效應(yīng)？

BaTiO3晶體為鐵電晶體，在室溫下是四方相結(jié)構(gòu)，不具有對(duì)稱中

心，因此具有壓電效應(yīng)。

BaTio3陶瓷是鐵電陶瓷，具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化能隨外電場(chǎng)

的轉(zhuǎn)向而變化。對(duì)于鐵電陶瓷來說，各個(gè)晶粒都有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)。

但由于晶粒和電疇分布無一定規(guī)則，各方向幾率相同，使宏觀極化強(qiáng)

度ΣP=O,因而不顯示壓電效應(yīng)。

要使BaTio3陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須經(jīng)過人工預(yù)極化處理，使

∑P≠0,才能對(duì)外顯示壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的預(yù)極化方式：直流電場(chǎng)+

升溫（矯頑場(chǎng)Ec減?。?但溫度升高，材料的絕緣電阻下降，因此容

易擊穿。所以溫度不能過高。

1.請(qǐng)描述壓電陶瓷的基本性能參數(shù)及其物理意義。

解：（1）壓電系數(shù)d:單位機(jī)械應(yīng)力T所產(chǎn)生的極化強(qiáng)度P：

dP/T；或單位電場(chǎng)強(qiáng)度V/x所產(chǎn)生的應(yīng)變

△x/x：√=（Δx∕x）∕（Γ∕x）=Δλ?∕Γ

物理意義：反映應(yīng)力（應(yīng)變）和電場(chǎng)（電位移）間的關(guān)系。

（2）壓電系數(shù)g（壓電電壓系數(shù)）：單位應(yīng)力T所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度

E；或單位電荷所產(chǎn)生的形變：g—1物理意義：反

應(yīng)應(yīng)力（應(yīng)變）和電場(chǎng)強(qiáng)度（電荷）之間的關(guān)系。

(3)機(jī)電耦合系數(shù)k:

2=電能轉(zhuǎn)變所得的機(jī)械能

V^輸入的電能

(逆壓電效應(yīng))或

k2=機(jī)械能轉(zhuǎn)變所得電能

'一輸入的機(jī)械能

(正壓電效應(yīng)X

輸入的機(jī)械能物理意義：機(jī)電耦合系數(shù)反映了壓電材料的機(jī)械

能和電能之間的耦合關(guān)系，即機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換效率。

(4)機(jī)械品質(zhì)因素Q:

C?諧振時(shí)振子儲(chǔ)存的機(jī)械能

(j=2TT---------------------------------------------------------

每一諧振周期振子所消耗的機(jī)械能

物理意義：反映壓電體受到電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械諧振時(shí)，由于克服晶

格形變產(chǎn)生的內(nèi)摩擦而造成的機(jī)械損耗。(內(nèi)耗)

(5)頻率系數(shù)N:壓電振子的諧振頻率fo與振動(dòng)方向上線度的乘

積：

N=f°L

1.什么是PZT壓電陶瓷的準(zhǔn)同型相界？與三元系壓電陶瓷的準(zhǔn)同型相界有何

區(qū)別？解：在PZT陶瓷成分Zr；Ti=53:47附近有一同質(zhì)異晶相界線，稱為PZT陶

筐

的準(zhǔn)同型相界。在準(zhǔn)同型相界附近，PZT陶瓷具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。K'>,?

出現(xiàn)極大值，Qn出現(xiàn)極小值。與三元系的準(zhǔn)同型相界相比：相同之處：在準(zhǔn)

同型相界附近，Kp,?均出現(xiàn)極大值，Q”出現(xiàn)極小值。

不同之處：PZT壓電陶瓷中的準(zhǔn)同型相界位于Zr：Ti=53;47附近，是具

有一

定寬度成分比范圍的相重疊區(qū)。在此成分比的區(qū)段內(nèi)，陶瓷體內(nèi)各晶粒之間或

在

同一晶粒之內(nèi)，可同時(shí)存在四方相及三角相結(jié)構(gòu)。三元系壓電陶瓷中出現(xiàn)兩條

準(zhǔn)

同型相界。三元系中具有更為寬廣的可供選擇的組成范圍。

2.什么叫PZT壓電陶瓷的軟、硬性取代？對(duì)PZT陶瓷性能的影響是什么？

PZT壓電陶瓷的軟性取代是在PZT陶瓷中摻入電價(jià)比Pb2+高的La3+、B產(chǎn)、Sb3*

等離子或電價(jià)比Ti"+高的Nb5+、Ta5+.Sb5+^W6+離子。摻雜后PZT陶瓷的矯頑場(chǎng)

強(qiáng)ECl,￡t,Kpt,tgδt,QmI,抗老化性t,Pvto

硬性取代是采用K+,Na+取代A位的Pb?+離子，F(xiàn)e2?Co2?Mn?+(或Fe3?Co3?

Mn3+)、Ni2+>Mg2?Al3?Ga3?ln3?C產(chǎn)、Sr?+等離子取代B位的Ti,+,Zr"離子。

取代后Ect,極化變難，性質(zhì)變"硬?HKpl、tg。I、Qmt,抗老化性

I9PVIO

1.什么叫電光透明陶瓷？不透明的陶瓷具有電光特性嗎？

解：透明的鐵電陶瓷通過電場(chǎng)作用可改變其光學(xué)性能，稱為透明電光

陶瓷。

不透明的陶瓷由于不透光，因此不具有電光特性。

2.對(duì)于電光