現今最廣泛使用的壓電陶瓷是基於鋯鈦酸鉛鈦酸鹽的材料體系。由於該系統的鈣鈦礦結構非常耐受元素取代(摻雜),因此針對不同的產品應用,可藉由特定的元素添加,調配適切的配方,以達到符合產品應用所需的介電,壓電和物理性能。

由於不同摻雜的材料影響,壓電陶瓷通常分為軟性和硬性兩類。軟性壓電陶瓷具有較高的電耦合係數,較低的矯頑場和較低的機械品質因數(Qm)。它可以提供相對較大的應變輸出,使其適用於流量計,液位傳感器,感測和致動等應用。

硬性壓電陶瓷具有較低的電耦合係數,較高的矯頑場和較高的機械品質因數(Qm)。它通常用於大功率應用,例如超聲波清洗,超聲波焊接,超聲波加工等。

Unictron製造一系列鋯酸鈦酸鉛材料(軟質和硬質)以及鈦酸鋇和鈦酸鉛材料。下表列出了我們量產的材料的特性。

壓電材料常用參數及符號

介電常數(Dielectric Constant, ε)

介電常數 ε(希臘字母 epsilon)在壓電陶瓷材料中具有關鍵的重要性,它是一個衡量材料轉化為相同極化方向的物理參數。不同的介電係數代表了材料在不同應力方向下轉化為相同極化方向的行為。介電係數 ε33代表了壓電陶瓷材料中的外加極化電場(E)和極化量(P)之間的關係,即電場是沿著材料的第3軸方向(通常是材料的厚度方向)施加。這時的介電常數通常以ε330的形式表示。

介電常數它定義為:

ε = εr * ε0

其中:

ε  是材料的介電常數。

εr 是相對介電常數,表示材料的電場響應相對於真空(或自由空間)的數值。

ε0 是真空的介電常數或絕對介電常數,在國際單位制下的值為 8.85 x 10-12 F/m。

介質損耗(Dielectric Dissipation Factor, tan δ)
tan δ表示壓電材料在電場中的能量損耗。低tan δ值表示能量損耗較低,對於高頻應用和振動傳感器至關重要,可提高訊號的品質和效能。當已選定壓電材料的特性,其tan δ 也就決定了,無法再做改變。總之,tan δ 在壓電陶瓷材料的選擇和應用中很重要,因為它直接影響能量轉換效率(損失)。

機電耦合係數(Electromechanical Coupling Factor, K)

機電耦合係數(K)是壓電陶瓷的關鍵性能指標,這個係數代表壓電陶瓷材料將電能轉換為機械運動或變形,或將機械運動或變形轉換為電能的效率。K的值越高,材料在能量轉換中表現得越有效。它通常以百分比或小數表示。

壓電陶瓷的機電耦合係數K 通常表示為以下方式:

K = (輸出機械能或運動) / (輸入的總電能)

不同的 K 值(如K31、K33、Kp 和 Kt)描述了壓電材料在不同形狀下,不同方向和應變情況下的效應。例如,K31和K33涉及橫向應變和縱向壓電效應,而 Kp 和 Kt 分別涉及徑向應變和厚度下的壓電效應。這些參數影響材料的性能,並決定了其在特定應用中的適用性。

  • K31代表壓電陶瓷的橫向耦合係數,描述橫向應變(或應變)與縱向電場之間的關係。
  • K33代表壓電陶瓷的縱向耦合係數,描述壓電材料在壓力作用下的變形與縱向電場之間的關係。
  • Kp代表壓電陶瓷的壓電平面耦合係數,描述壓電材料的壓電效應和壓電材料在徑向應變時的壓電效應之間的關係。
  • Kt代表壓電陶瓷的壓電厚度耦合係數,描述了壓電材料的壓電效應和壓電材料在厚度壓力作用下的變形之間的關係。

機械品質因數 (Mechanical Quality Factor, Qm)

Qm表示壓電材料在機械振動或諧振時的性能。它描述了材料在機械應變和機械能量轉換方面的效率(能量損耗情況)。壓電陶瓷材料有較高的 Qm 值下,在諧振時消耗的機械能量較小(能量損耗較低),材料能夠在諧振應用中保持高效率,因此,如在高功率的轉換器應用上,其要求的 Qm 值就要高。

壓電常數(Piezoelectric Constant, d)

壓電常數表示材料的壓電效應強度,是壓電體把機械能轉變為電能或把電能轉變為機械能的轉換係數。較大的d值表示材料能夠更有效地將機械應力轉換為電荷或電位變化。

壓電電壓常數 (Piezoelectric Voltage Constant, g)

壓電電壓常數(g)是壓電材料中的電場強度和機械應變(機械應力或機械變形)之間的關係。它代表壓電材料在一個特定方向上施加機械應變時,所生成的電場強度,通常以伏特公尺每牛頓(Vm/N)為單位。壓電電壓常數(g)對於能量轉換效率、感測和控制性能以及頻率響應具有重要影響。而不同方向上的壓電電壓常數(例如g11、g31、g33等)描述了材料在不同應力方向下的電場響應特性。

公式表示為:

E = gT  →  g = E/T

ex. :  g33 = (V/c)/(F/ab)

居里溫度

Curie temperature(居里溫度),簡稱Tc,是壓電陶瓷材料的一個重要物理參數。壓電陶瓷是在居禮溫度下,壓電材料才會呈現壓電性質,但在這個溫度以上,壓電性質會消失。因此在壓電應用中,需要在此溫度以下使用,才能具有壓電效應。

對於不同種類的壓電陶瓷材料,其Curie temperature也會不同。具體來說,壓電陶瓷材料,隨著溫度升高,其晶體結構會發生相變,會從一個具有壓電性質的相變為另一個不具壓電性質的相。必須依據不同的使用溫度情況下,去選擇適合使用溫度範圍內的壓電陶瓷材料,以確保其在使用過程中,壓電性質穩定性。

密度 (Density, ρ)

壓電陶瓷中的密度,它代表了材料的質量和體積之間的關係,通常以符號ρ表示,單位是千克每立方米(kg/m³)。在選擇陶瓷材料時,密度只是一個參考性的指標,因為壓電材料決定了,其壓電特性及密度也就確定了,無法再做調整。