Page 49 - 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

式中： ε 为真空介电常数，其值为8.854×10 −12 F/m；

0
（1） ε 为相对介电常数；ε T 为介电常数；C T 为试样的自由
r
电容；t为试样的厚度； A为试样电极面积。对于压
5种材料的平面机电耦合系数计算结果如表3所示。 电陶瓷，测量C T 时要求测量频率远低于最低谐振频
由表3可知：PMN-PT具有较大平面机电耦合系数；当 率，通常为1 kHz。5种材料的相对介电常数测试结
温度从室温298 K降到液氮温度77 K后，BST的平面机 果如表4所示。由表4可知：室温下5种材料的相对
电耦合系数变化最小，表现出优异的能量交换稳定性。 介电常数测试结果与出厂参数具有较好的一致性；

2.3 介电常数 液氮低温环境下，5种材料的相对介电常数减小幅度
介电常数反映了电介质材料的介电性能和极化 不同，电荷储存能力减弱；BST的相对介电常数的
行为，可用材料两电极之间电介质的电容与真空状 低温相对变化最小，说明其在液氮低温环境下具有
态下电容的比值表示，计算方法如式（2）所示。 较优异的介电性能；这5种材料相对介电常数的恢复
t 室温相对变化都未超过10%，说明5种材料的介电
ε = =εε ⋅ C （2）
T r 0 T A 性能未出现不可逆的损伤。
表3 5种材料的平面机电耦合系数计算结果

平面机电耦合系数 平面机电耦合系数 平面机电耦合系数
材料
温度298 K 温度77 K 温度恢复298 K 低温相对变化/% 恢复室温相对变化/%
0.35 0.23 0.35 34.3 0
BaTiO 3
PMN-PT 0.90 0.77 0.91 14.4 1.1
PZT255 0.57 0.47 0.56 17.5 1.8
PZT251 0.67 0.56 0.67 16.4 0
BST 0.64 0.60 0.63 6.3 1.6

表4 5种材料的相对介电常数测试结果
相对介电常数 相对介电常数 相对介电常数
材料
温度298 K 温度77 K 温度恢复298 K 低温相对变化/% 恢复室温相对变化/%
1 284 325 1 287 74.7 0.2
BaTiO 3
PMN-PT 5 131 2 260 4 645 55.9 9.5
PZT255 1 798 6 74 1 671 62.5 7.1
PZT251 2 239 734 2 091 67.2 6.6
BST 1 510 1 079 1 491 28.5 1.3

2.4 介质损耗因数tan δ 质损耗因数反映了压电材料在交变电场作用下能量
δ

介质损耗因数为在确定频率的正弦波电压下， 损失的程度，介质损耗因数越小，表明压电材料的能
电阻功率（介质功率损耗）与无功功率的比值 [13] 。介 量转换效率越高。5种材料的介质损耗因数测试结

表5 5种材料的介质损耗因数测试结果 %
介质损耗因数 介质损耗因数 介质损耗因数
材料
温度298 K 温度77 K 温度室温298 K 低温相对变化 恢复室温相对变化
0.2 3.6 0.28 1 700.0 40.0
BaTiO 3
PMN-PT 0.6 1.5 0.53 150.0 11.7
PZT255 1.5 2.7 1.50 80.0 0.0
PZT251 1.6 1.9 1.80 18.8 12.5
BST 0.3 2.8 0.20 833.3 33.3
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