物理专业实验报告 专业 应用物理 班级 1 姓名 学号 实验名称 压电材料的压电常数d33测试 实验地点 实验日期 【实验目的】 （1）掌握准静态d33测试仪的使用方法以及测量压电常数d33。 （2）熟悉压电材料压电效应的基本原理 【实验仪器】 YE2730A准静态压电常数d33测试仪；PZT压电陶瓷样品；PMN压电陶瓷样品 【实验原理】 压电材料(piezoelectric material)，受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。 1880年,法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现,把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。 1、压电效应 某些物质，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象，同时，其外表面上产生极性相反的电荷；当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向反向时，电荷极性也相反；电荷量与外力大小成正比。这种现象叫正压电效应。如图1所示。 FQ?F???FF 图1 （正）压电效应 反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。压电效应的可逆性如图62所示。利用这一特性可实现机—电能量的相互转换。 正压电效应机械能压电介质逆压电效应电能 图2 压电效应的可逆性 压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。2、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。 图3 陶瓷极化过程示意图 图4 束缚电荷与自由电荷排列示意图 所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。如图3所示。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。如图4所示。 如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系 q?d33F （1） 其中d33是压电陶瓷的压电系数，F为作用力。 压电陶瓷在极化方向上的压电效应最明显。我们把极化方向叫Z轴，垂直于Z轴平面上的任何直线都可作为X轴（或Y轴）。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但剩余极化强度和特性受温度影响较大。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（组成的BaTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）Pb?ZrTi?O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅（Pb?Mg1/3?Nb2/3?O3）、锆酸铅和钛酸铅按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，它具有较高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。 3、压电参数的测量方法 压电陶瓷材料的压电参数的测量方法甚多，有电测法，声测法，力测法和光测法等，这些方法中以电测法的应用最为普遍。在利用电测法进行测试时，由于压力体对力学状态极为敏感，因此，按照被测样品所处的力学状态，又可划分为动态法，静态法和准静态法等。 （1）静态法 静态法是被测样品处于不发生交变形变的测试方法，主要用于测试压电常数，测试样品上加一定大小和方向的力，根据压电效应，样品将因形变而产生一定的电荷。 D33=d33T3 若施加力为F3，则在电极上产生的总电荷为 Q3=d33F3 (1-39) 静态法的测量装置如图5所示，线路中的电容C的作用是为了使样品所产生的电荷都能释放到电容上。因此，要求电容C越大越好，一般选择的为样品电容的几十到一百倍的低损耗电容。
(完整版)实验二：压电材料的压电常数d33测试
