高锆系PZT压电陶瓷的制备及性能研究(3)
压电陶瓷材料除了具有一般介质材料所具有的介电性能和弹性性能外，还具有压电性能。压电陶瓷材料经过极化之后具有各向异性，每一项性能参数在不同方向上所表现的数值不同，这就使压电陶瓷材料的性能参数比一般各向异性的介质陶瓷多得多。压电陶瓷材料的众多性能参数是它的广泛用途的重要基础[7]。
1.2.1 介电常数
介质在外加电场时会产生感应电荷而消弱电场，原外加电场与最终介质中电场比值即为介电常数，介电常数反映材料的介电性质或者极化性质，通常用ε表示。介电常数ε与原件电容C、电极面积A和电极间距离t之间的关系为：C=ε*A/t 。式子中各参数的单位为：电容C（F）；电极面积A（m2）；电极间距离t（m）；介电常数ε（F/m）。压电陶瓷极化处理前是各向同性的多晶体，这是各方向的介电常数是相同的，即只有一个介电常数。经过极化处理后，由于沿极化方向产生剩余极化而成为各向异性的多晶体。此时沿着极化方向的介电性与另外方向的介电性质不同。
1.2.2 介质损耗
介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所存储的电荷有两种分量：一种为有功分部，由电导过程引起；一种是无功部分，是由介质弛豫过程所引起的。介质损耗是无功部分与有功部分的比值。通常用tanδ来表示电介质损耗，成为损耗因子。 tanδ=1/(ωCR)，式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。
1.2.3 机械品质因数Qm
机械品质因数也是衡量压电陶瓷材料的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量损耗越小。
1.2.4 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，而且与点穴边界条件有关。即不仅与应力T，应变S有关，而且与电场强度E,电位移D有关。
1.2.5 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，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。
或
Kt为厚度振动模式下机电耦合系数，Kp是平面振动模式下机电耦合系数。
1.2.6 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，成为频率常数。压电元件的频率常数只与材料性质有关，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。
1．3 PZT陶瓷的发展历史及趋势
1.3.1 PZT陶瓷的发展历史
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材[7,8]。当在某些各向异性的晶体材料上施加机械应力时，在晶体的某些表面上会有电荷出现。
1894年沃伊特(Voigt)指出，仅无对称中心的的20种点群的晶体才可能具有压电效应。石英是压电晶体的代表，它一直被广泛应用至今。利用石英的压电效应可制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次世界大战中，居罩的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电效应应用史的光辉篇章[9]。
1942年到1945年期间，美国的韦纳等人、苏联的伍尔和戈德曼、日本的小川分别发现钛酸钡(BaTi03)具有异常高的介电常数。此后不久，有人发现BaTi03具有压电性。BaTi03陶瓷的发现是压电陶瓷材料的一个飞跃。在此以前，压电材料只是压电单晶材料。从此以后，压电材料有了两大类：压电单晶和压电陶瓷。