Page 47 - 理化检验-物理分册2024年第十一期
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刘岳鹏，等：典型压电材料在液氮低温环境下的压电性能
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度的降低，材料的压电系数逐渐减小。黄滟荻 在 振附近。通过测量试样的特征频率，并进行计算，就
室温条件下对PMN-PT材料的电学参数进行了研 可以得到材料的压电性能参数 [10] 。利用精密阻抗分
究，并探讨了其在不同温度下的铁电性能，通过分析 析仪，测量了试样的电容C T 和介质损耗因数tan δ。
剩余极化强度、矫顽电场以及电滞回线面积与温度 通过分析试样的频率-阻抗谱，可得到串联谐振电阻
之间的关系，对PMN-PT材料的温度稳定性进行了 R、串联谐振频率f s 以及并联谐振频率f p 等参数，其他
评估。尹鹤瞳 测试了PZT-5H材料在室温及低温 压电性能参数可以根据测试标准计算得出。在液氮
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条件下的静态电学参数，发现低温环境下PZT-5H 温度下进行测试时，先把待测压电材料浸没到盛有液
材料的电阻率在谐振频率与反谐振频率之间呈现显 氮的杜瓦罐中15 min，从杜瓦罐取出待测压电材料后，
著的变化趋势，在相同的加载频率下，随着温度的升 在5 s内完成一组数据测试，超时要重新放入杜瓦罐
高，PZT-5H材料的电阻率呈降低趋势。 中冷却3 min以上，然后再取出重新完成测试。
笔者对压电材料进行阻抗测试，并分析了不同 对钛酸钡（BaTiO 3 ）、铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-
温度下材料的谐振频率、机电耦合系数、介电常数、 PT）单晶、锆钛酸铅（PZT255）、锆钛酸铅（PZT251）、
介质损耗因数等参数，探究了压电材料在室温和液 钛酸锶钡（BST）5种压电材料分别在室温（298 K）
氮温度下的性能差异，研究结果可为压电材料的极 和液氮温度（77 K）下的压电参数进行测量。压电材
端温度应用提供借鉴。 料主要包括压电单晶体、多晶体压电陶瓷、压电陶瓷
复合材料和高分子压电材料及聚合物等。压电陶瓷
1 试验方法及试验材料
具有稳定的压电性能，在市场上占据重要地位，成为
依据EN 50324‒1∶2002《陶瓷材料和元件的压 目前较受欢迎的压电材料之一。软性压电陶瓷对反
电性能 第1部分： 术语和定义》及EN 50324‒2∶2002 复的机械载荷非常敏感。硬质材料在重复的机械循
《陶瓷材料和元件的压电特性 第 2 部分：测量方 环中没发生退化，但在恒定载荷下对延长时间很敏
法——低功率》，压电材料的基本振动模式主要参考 感。硬质PZT组合物在双轴弯曲试验中的力学性能
EN 50324‒1∶2002，用于激发各种模式。 优于软性压电陶瓷。在不同温度下压电陶瓷的性能
主要采用电测法测量压电材料的参数，包括动 会有所变化，当其无法再满足预期的应用需求时，可
态法、静态法和准静态法等多种方式 。其中，动态 以认为该压电陶瓷已经失效。5种材料出厂压电性
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法是通过施加交流信号激励试样，使其状态处于谐 能参数如表1所示。
表1 5种材料出厂压电性能参数
材料 尺寸（直径×长度）/（mm×mm） 谐振电阻/Ω 介质损耗/% 自由电容/pF 谐振频率/kHz 反谐振频率/kHz
38.0×13.7 19.5 0.50 929 82.8 86.93
BaTiO 3
PMN-PT 6.0×3.5 - 0.30 380 170.0 230.00
PZT255 25×2 6.1 1.50 3 906 983.7 1 114.00
PZT251 48×10 - 1.40 3 500 39.0 -
BST 19.97×7.93 17.0 0.36 498 104.0 122.00
2 试验结果 电容并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数
2.1 压电振子等效电路及谐振频率 与频率无关。当施加在压电振子上的电信号频率等
利用压电材料的压电效应，可以将其制成具有 于其固有振动频率f r ，即电纳为0时，压电振子的弹
特定取向和形状的压电器件，并配备电极。当电信 性最大，并可发生谐振。此外，压电振子还具有串联
号输入时，如果器件的机械谐振频率与信号频率相 谐振频率（即最大电导频率） f s 、并联谐振频率（即最
匹配，逆压电效应将引发器件的机械谐振，而正压电 大阻抗频率） f p 、反谐振频率（即电抗为0） f a 、最小阻
效应则能促使器件的机械谐振产生电信号。这类器 抗频率f m 、最大阻抗频率f n 等重要临界频率。
件被称为压电振子，通常用于制造谐振换能器件、标 当系统的应变振幅输出值和振子的电流同时达
准频率振子以及滤波器。压电振子的等效电路如图1 到最大时，此时的频率被称为最小阻抗频率，也可称
所示，该等效电路由电容、电感和电阻的串连支路与 为最大导纳频率。若继续提高外加电信号的频率，减
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