Page 48 - 理化检验-物理分册2024年第十一期

刘岳鹏，等：典型压电材料在液氮低温环境下的压电性能

对f r 和f a 来近似，即f m ≈f r ≈f s ， f n ≈f a ≈f p 。
使用精密阻抗分析仪在室温和液氮温度下对
BaTiO 3 、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST进行压电
性能参数测试，得到阻抗和频率的关系，阻抗最小时
对应的频率点即为谐振频率，阻抗最大时对应的频

图 1 压电振子的等效电路
率点即为反谐振频率，测试结果如表2所示。由表2
小振子输出的电流，当阻抗达到最大值时，对应的频 可知：在室温条件下，BaTiO 3 、PMN-PT、PZT255、
率则被称为最大阻抗频率，也可称为最小导纳频率f n ， PZT251、BST试样的谐振频率分别为82.5，171.8，
即当电阻R 1 为0时， f m =f r =f s =f n =f a =f p 。在实际应用中， 981.2，38.9，103.9 kHz，与表1中材料的出厂压电性
近似偏差一般小于1% ，这些参数可以分别用频率 能接近，说明测试流程正确。
[11]
表2 室温和液氮温度下5种材料的压电性能测试结果
温度为298 K 温度为77 K 温度恢复298 K
材料
f r /kHz f a /kHz R 1 /Ω f r /kHz f a /kHz R 1 /Ω f r /kHz f a /kHz R 1 /Ω
82.5 86.7 63.7 82.7 84.5 1 171.7 82.3 86.5 42.0
BaTiO 3
PMN-PT 171.8 237.3 87.3 203.9 258.6 1 368.6 170.0 235.2 90.6
PZT255 981.2 1 113.5 6.1 991.2 1 081.5 12.9 983.2 1 115.5 5.8
PZT251 38.9 46.4 55.4 44.6 50.4 130.8 39.1 46.6 51.8
BST 103.9 121.9 32.5 105.7 121.6 277.7 104.1 122.0 15.6

在室温和液氮温度下，5种压电材料试样的阻抗 BaTiO 3 、PZT255、BST在两种温度下的谐振频率偏

与频率关系如图2所示。 由图2可知：温度从室温298 K 移较小，都不超过2%，表现出较好的温度频率稳定
降到液氮温度77 K后，5种压电材料试样谐振频率 性，但BaTiO 3 的谐振电阻变化（1 108.0 Ω）远远大于
都存在不同程度的偏移，频率的相对偏移量从高 BST的谐振电阻变化 （245.2 Ω）及PZT255 的谐振
到低依次为 PMN-PT(18.9%)>PZT251(14.7%)> 电阻变化（6.8 Ω）， 因此BST及PZT255表现出更好
BST(1.7%)>PZT255(1.0%)>BaTiO 3 (0.2%)，其中 的低温性能稳定性。

图 2 室温和液氮温度下 5 种压电材料试样的阻抗与频率关系

2.2 机电耦合系数K 电能之间的相互耦合能力越强。平面机电耦合系数

机电耦合系数是衡量压电材料性能的关键参 k p 描述了机械响应与电场之间的耦合关系，进而产
数，反映了压电材料在力学性能与电能之间转换的 生平面振动。当平面机电耦合系数k p 较小时，可以
能力 [12] 。压电材料的K越大，意味着其力学性能与 采用式（1）进行近似计算。

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