《压电陶瓷换能元件总规范》

压电陶瓷换能元件总规范本文件规定了压电陶瓷换能元件(以下简称换能元件)的通用要求、试验方法和检验规则。本文件适用于各类压电陶瓷换能元件的设计、制造和检验。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T191包装储运图示标志GB/T2414.1—1998压电陶瓷材料性能试验方法圆片径向伸缩振动模式GB/T2414.2—2025压电陶瓷材料性能试验方法长条的横向长度伸缩振动模式GB/T2421—2020环境试验概述和指南GB/T2423.1—2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温GB/T2423.2—2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温GB/T2423.3—2016环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒定湿热试验GB/T2423.28—2005电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验T：锡焊GB/T2423.30—2013环境试验第2部分:试验方法试验XA和导则:在清洗剂中浸渍GB/T2423.58-2008电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验Fi:振动混合模式GB/T2423.60-2008电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验U:引出端及整体安装件强度GB/T2828.1—2012计数抽样检验程序第1部分:按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划GB/T3389.1—1996铁电压电陶瓷词汇GB/T3388—2002压电陶瓷材料型号命名方法GB/T3389—2008压电陶瓷材料性能测试方法性能参数的测试GB/T4740—2024陶瓷材料抗压强度试验方法GB/T6427—2025压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法GB/T11309—1989压电陶瓷材料性能测试方法纵向压电应变常数d33的准静态测试GB/T11310—1989压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试GB/T11387—2008压电陶瓷材料性能测试方法静态弯曲强度的测试GB/T16304—2008压电陶瓷材料性能测试方法电场应变特性的测试GB/T12859.1—2012电子元器件质量评定体系规范压电陶瓷谐振器第1部分：总规范-鉴定批准SJ/T10321—1992压电陶瓷点火器性能测试方法3术语和定义GB/T3389.1和GB/T3388界定的术语以及下列术语和定义适用于本文件。3.1最大出力maximumoutputforce致动换能元件在最大工作电压下的零位移输出力。3.2织构陶瓷texturedceramics晶粒沿某一方向择优取向生长排布的多晶压电陶瓷。3.3复合陶瓷compositeceramics由压电陶瓷和高分子聚合物（或其它材料）复合而成的压电陶瓷。3.4可见损伤visibledamages会降低产品预定用途的可用性的损伤。（提及次数）4分类及型号4.1分类按照压电陶瓷材料类别分为无机压电陶瓷换能元件、织构陶瓷换能元件、复合陶瓷换能元件以及其它陶瓷换能元件等类型。按用途分为超声、电声、水声、引燃引爆、能量采集、变压、压力和致动等类型。4.2型号命名4.2.1换能元件的型号命名由五部分组成，如图1所示。HTHTWCY1.65MHz第四部分：形状代号第三部分：用途代号第二部分：材料类别代号第一部分：主称代号第五部分：典型参数图1换能元件的型号命名4.2.2第一部分用“HT”表示主称“压电陶瓷换能元件”，见表1。4.2.3第二部分用一个字母表示材料类别，见表1。4.2.4第三部分用一个字母表示用途，见表1。4.2.5第四部分用一个字母表示形状，见表1。4.2.6第五部分用阿拉伯数字及常用国际单位表示典型参数，典型参数单位如下：a)超声换能元件用频率，单位为兆赫兹MHz或千赫兹（kHz）；当单位缺省时，表示kHz；b)电声、水声换能元件用频率，单位为千赫兹（kHz）；c)变压换能元件用功率，单位为瓦（W）；d)引燃引爆、发电换能元件用开路电压，单位为千伏（kV）；e)压力换能元件用压电应变常数，单位为皮库仑/牛顿（pC／N）；f)致动换能元件用位移量，单位为微米(μm）。表1换能元件的型号符号HTWZFQCDSRNBYZYJHGZQT意义主称材料类别用途形状压电陶瓷换能元件无机陶瓷织构陶瓷复合陶瓷其它陶瓷超声电声水声引燃引爆能量采集变压压力致动圆形矩形环形管形柱形球形特殊形状4.3填写示例示例1：HTFCY1.65MHz表示频率为1.65MHz圆片形超声用压电复合陶瓷换能元件。示例2：表示位移量为10μm管形致动用压电无机陶瓷换能元件。5.1总则换能元件应符合本文件和相关详细规范规定的所有要求。本文件的要求与相关详细规范不一致时，应以相关详细规范为准。按本文件提交的换能元件应是经鉴定合格的产品。5.2结构、外观及标志5.2.1结构及外形尺寸换能元件的结构和外形尺寸应符合详细规范的规定。5.2.2外观质量除详细规范另有要求外，换能元件的外表面应清洁、无可见损伤。5.2.3标志标志应准确、清晰和牢固。需作特殊标志时，不应与本文件的规定相冲突或有明显区别。标志应至少包含下列内容：a)承制方名称或商标；b)型号规格；c)生产批号（时间）和编号。由于换能元件尺寸限制不能完整标志时，应按详细规范的规定标志，并在包装上作完整标志。5.3功能指标5.3.1机电性能换能元件的机电性能应按换能元件类别进行选择，并在详细规范中具体规定。换能元件的最大导纳频率ƒm、最小导纳频率ƒn、机电耦合系数K、动态电阻R1、自由电容CT、介电损耗角正切tanδ、机械品质因数Qm、十倍时间老化率A、压电应变常数（静态值及准静态值）d33和d31、压电电压常数（静态及准静态）g33、居里温度TC、绝缘电阻、频率温度稳定性(△f／f1)、容量温度稳定性(△C／C)和开路电压U（kV）等机电性能应符合详细规范的规定。5.3.2位移（致动用）位移应符合详细规范的规定。5.3.3最大出力（致动用）最大出力应符合详细规范的规定。5.3.4耐电压在详细规范规定的试验电压（直流）、试验漏电流及持续时间要求下，试验过程中应无击穿或飞弧，试验后应无绝缘破坏和明显的机械损伤。5.3.5抗压强度换能元件的抗压强度应符合详细规范的规定。5.3.6静态弯曲强度换能元件的静态弯曲强度应符合详细规范的规定。5.4物理性能试验5.4.1可焊性（适用时）换能元件的可焊性应符合详细规范的规定。5.4.2引出端牢固度（适用时）换能元件的引出端牢固度应符合详细规范的规定。5.4.3电极附着强度换能元件的金属电极附着强度应符合详细规范的规定。5.5环境试验5.5.1低温换能元件在承受低温试验后，外观应符合5.2.2的要求，机电性能应符合详细规范的规定。5.5.2高温换能元件在承受高温试验后，外观应符合5.2.2的要求，机电性能应符合详细规范的规定。5.5.3恒定湿热换能元件承受恒定湿热试验后，外观应符合5.2.2的要求，机电性能应符合详细规范的规定。5.5.4高温工作（适用时）换能元件在高温工作试验中和试验后，外观应符合5.2.2的要求，机电性能应符合详细规范的规定。5.5.5振动（适用时）换能元件在振动承受振动试验后，外观应符合5.2.2的要求，机电性能应符合详细规范的规定。6.1通则除非另有规定，换能元件测量和试验应在GB/T2421—2020中4.3规定的测量和试验用标准大气条件下进行。温度：15℃~35℃;相对湿度：25%～75%；气压：86kPa～106kPa。有争议时，采用仲裁测量和试验用标准大气条件：相对湿度：48%～52%；气压：86kPa～106kPa。试验前，样品应在试验的标准大气条件下至少放置24h。6.2结构、外观及标志6.2.1结构及外形尺寸用精度符合详细规范要求的量具测量外形尺寸。6.2.2外观质量及标志外观质量及标志检查按下列规定：a）外表面质量及标志清晰度用目测法检验，具体由详细规范规定；b）检查标志牢固度时，按GB/T2423.30—2013进行检验，具体由详细规范规定。6.3功能指标6.3.1机电性能机电性能测试方法见表2。F=F2-F1(1)机电性能测试方法fm、fn、K、R1、CT、tanδ、Qm、A径向振动模式：GB/T2414.1—1998；横向振动模式：GB/T2414.2—2025；纵向振动模式：GB/T3389—2008；厚度振动模式：GB/T3389—2008；切变振动模式：GB/T3389—2008；或直接采用网络分析仪、阻抗分析仪测试GB/T3389—2008GB/T11309—1989或直接采用压电常数准静态测试仪测试按6.3.2测试位移，计算△L×t或直接采用微位移测试仪测试v×Lg33（静态及准静态）GB/T3389—2008tanδ（强场）GB/T3389—2008GB/T6427—2025GB/T11310—1989USJ/T10321—1992T、fm、R1（弯曲振动模式）测试的夹持点应在节圆或节点位置，测试方法按GB/T2414—1998或直接采用LCR测试仪进行测试绝缘电阻GB/T12859.1—20126.3.2位移（致动类）位移按下列规定测试：a）安装方式：应符合详细规范的规定；b）测试方法：按GB/T16304—2008相关要求进行测试。6.3.3最大出力（致动类）最大出力按下列规定测试：a）安装方式：应符合详细规范的规定；b）测试步骤：1）按如图2所示的测试框图装夹和连线；2）调整加力装置，给换能元件施加一定值的预紧力（根据不同规格的换能元件，在详细规范中规定预紧力的具体值）；3）调整位移传感器到零点后，再调整驱动电源的输出电压，对换能元件施加最大工作电压，读取测力计的显示值F1；4）调整加力装置，给换能元件缓慢加力，并观察测微仪的显示值，当显示值降到0时，停止加力，读取测力计的显示值F2；5）最大出力F由式(1)计算求得：F—最大出力，单位为牛顿(N)；F1—对换能元件施加最大工作电压时测力计的显示值，单位为牛顿(N)；F2—换能元件零位移时测力计的显示值，单位为牛顿(N)。图2最大出力测试框图6.3.4耐电压耐电压按下列规定测试：a）安装方式：应符合详细规范的规定；b）测试方法：按详细规范规定的加压方式，对换能元件正负极采用耐压测试仪施加电压，从零平稳增加至规定值，保待时间结束后，然后将电压均匀下降到零。6.3.5抗压强度按GB/T4740一2024的规定进行。6.3.6静态弯曲强度按GB/T11387一2008的规定进行。6.4物理性能试验6.4.1可焊性（适用时）除详细规范另有规定外，试验应按以下方法之一的规定进行。推荐选用焊槽法，若采用焊槽法不可行时使用烙铁法。方法1:焊槽法本试验应按GB/T2423.28—2005试验Ta方法1：线状或带状引出端的可焊性的规定进行。除有规定外，焊槽温度：235℃±5℃。方法2:烙铁法本试验应按GB/T2423.28—2005试验Ta方法2：线状或带状引出端的可焊性的规定进行。6.4.2引出端牢固度（适用时）除详细规范另有规定外，按GB/T2423.60—2008的规定进行。6.4.3电极附着强度先将换能元件用酒精清洗干净，在金属电极任一位置上用温度为235℃±5℃的烙铁焊一直径为0.5mm～0.8mm引线与瓷片垂直，焊点直径为3mm，焊接时间不超过5s。逐渐施加拉力，拉力值详细规范具体规定，保持时间为（10±1）s。若换能元件有引出端，在引出端以外的金属电极任一位置上进行。若详细规范另有规定，按详细规范规定条件进行。6.5环境试验6.5.1低温按GB2423.1—2008试验Ab的规定进行，试验温度、持续时间和试验后恢复时间应符合详细规范的规定。6.5.2高温按GB2423.2—2008试验Bb的规定进行，试验温度、持续时间和试验后恢复时间应符合详细规范的规定。6.5.3恒定湿热按GB/T2423.3—2016试验Cab的规定进行，持续时间96h或按详细规范规定，试验后恢复时间应符合详细规范的规定。6.5.4高温工作（适用时）按GB/T2423.2—2008试验Bb的规定进行，试验中对换能元件施加电信号，试验温度、持续时间和试验后恢复时间应符合详细规范的规定。6.5.5振动（适用时）除详细规范另有规定外，按GB/T2423.10—2019试验Fc的方法进行，严酷等级按表1的规定在三个互相垂直的方向（X,Y,Z）分别进行。试验后外观和电性能指标应符合详细规范的规定。7.1检验分类检验分为鉴定检验和质量一致性检验。7.2检验条件除非另有规定，所有检验应按GB/T2421—2020中4.3规定的测量和试验用标准大气条件下进行。7.3鉴定检验7.3.1概述鉴定检验采用正常生产使用的设备和加工工艺生产出来的样本，并在鉴定机构认可的试验室进行。7.3.2样品数量提交鉴定检验的样品数量应为15只（含备份样品2只）和10只陶瓷材料标准块。7.3.3检验程序样品应按表3规定的顺序进行鉴定检验，所有样品均应经受1组检验，然后再按表3分到2组～5组，进行各组规定的试验。表3鉴定检验样品数组别检验或试验项目要求章条号规范章条号样品数允许不合格数1结构及外形尺寸5.2.16.2.1（含备份样品2只）a1外观质量、标志5.2.2、5.2.36.2.2机电性能5.3.16.3.1位移（致动类）5.3.26.3.2最大出力（致动类）5.3.36.3.32低温5.5.16.5.150高温5.5.26.5.2耐电压5.3.46.3.43可焊性（适用时）5.4.16.4.130引出端牢固度（适用时）5.4.26.4.2电极附着强度5.4.36.4.34抗压强度5.3.56.3.51静态弯曲强度5.3.66.3.65恒定湿热5.5.36.5.3506高温工作（适用时）5.5.46.5.42c07振动（适用时）5.5.56.5.52c0a备份样品可用于替代1组不合格品或用于替代非制造厂的差错而造成的不合格品。b试验样品采用同工艺生产的陶瓷材料标准块进行。c若进行第6和第7项试验，需根据详细规范增加相应样品。7.3.4检验合格判据若不合格品数未超过表3规定，则鉴定检验合格。7.4质量一致性检验7.4.1总则质量一致性检验包括逐批检验和周期检验。7.4.2逐批检验7.4.2.1检验批一个检验批应由在基本相同条件下生产，并同时提交检验的相同型号元件的所有产品组成。7.4.2.2抽样方案换能元件的逐批检验抽样方案，按GB/T2828.1—2012正常检验一次抽样方案的规定，检验项目、顺序、检验水平及接收质量水平应符合表4规定。表4逐批检验序号检验或试验项目要求章条号方法章条号检验水平AQL1结构及外形尺寸5.2.16.2.1S-32.52外观质量、标志5.2.2、5.2.36.2.23机电性能5.3.16.3.1Ⅱ0.654位移（致动类）5.3.26.3.25最大出力（致动类）5.3.36.3.37.4.2.3不合格逐批检验不合格时，制造方可返修该批产品或剔除有缺陷的产品，并按表4重新提交进行复验。仍不合格时，则该批产品不应再次提交验收。7.4.3周期检验7.4.3.1周期检验每12个月进行一次。7.4.3.2周期检验的样品应从本周期生产的，经逐批检验合格的产品中随机抽取。7.4.3.3周期检验的分组、检验项目及顺序应符合表5规定。表5周期检验组别检验或试验项目要求章条号方法章条号样品数RQL1低温5.5.16.5.150高温5.5.26.5.2耐电压5.3.46.3.42可焊性（适用时）5.4.16.4.130引出端牢固度（