材料的電性能(2)

1、第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能n介質(zhì)的極化介質(zhì)的極化n介質(zhì)的損耗介質(zhì)的損耗n介電強度介電強度n材料的壓電性能材料的壓電性能n材料的鐵電性能材料的鐵電性能n材料介電性能測量及應(yīng)用舉例材料介電性能測量及應(yīng)用舉例第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能2.2.1 2.2.1 電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及其極化一、平板電容器及其電介質(zhì)一、平板電容器及其電介質(zhì)電容：電容：是當(dāng)兩個臨近導(dǎo)體加上電壓后具有存儲電荷能是當(dāng)兩個臨近導(dǎo)體加上電壓后具有存儲電荷能力的量度。力的量度。一個平板電容器的電容量一個平板電容器的電容量C與平板

2、的面積與平板的面積A成正比，成正比，而與兩平板間的距離而與兩平板間的距離d成反比。成反比。介電常數(shù)介電常數(shù)第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能已經(jīng)證明真空平板電容器的電容：已經(jīng)證明真空平板電容器的電容：第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能靜電場中介質(zhì)的極化靜電場中介質(zhì)的極化相對介電常數(shù)反映了電介質(zhì)材料在靜電反映了電介質(zhì)材料在靜電場中的極化特性。場中的極化特性。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能電介質(zhì)：電介質(zhì)：通常指電阻率大于通常指電阻率大于1010cm 的的一類

3、在電場中以一類在電場中以感應(yīng)感應(yīng)而而并非傳導(dǎo)并非傳導(dǎo)的方式呈的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的材料。現(xiàn)其電學(xué)性能的材料。介電常數(shù)是表征電介質(zhì)的最基本的參量介電常數(shù)是表征電介質(zhì)的最基本的參量在電場作用下建立在電場作用下建立極化極化的物質(zhì)的物質(zhì)第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化在電場作用下，正、負(fù)束縛電荷只能在微觀尺度上作相在電場作用下，正、負(fù)束縛電荷只能在微觀尺度上作相對位移，不能作定向運動。正負(fù)束縛電荷間的相對偏移，對位移，不能作定向運動。正

4、負(fù)束縛電荷間的相對偏移，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。在外電場作用下在外電場作用下, 電介質(zhì)內(nèi)部感生偶電介質(zhì)內(nèi)部感生偶極矩的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。極矩的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。導(dǎo)體中的導(dǎo)體中的自由電荷自由電荷在電場作用下定向運動，形成傳導(dǎo)在電場作用下定向運動，形成傳導(dǎo)電流。但在電介質(zhì)中，原子、分子或離子中的正負(fù)電電流。但在電介質(zhì)中，原子、分子或離子中的正負(fù)電荷則以共價鍵或離子鍵的形式被相互強烈地束縛著，荷則以共價鍵或離子鍵的形式被相互強烈地束縛著，通常稱為通常稱為束縛電荷束縛電荷。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能二、電解質(zhì)的極化機制二、電解質(zhì)

5、的極化機制1 1、極化相關(guān)物理量、極化相關(guān)物理量注意：鐵電體中自發(fā)極化的產(chǎn)生是不需要外加電注意：鐵電體中自發(fā)極化的產(chǎn)生是不需要外加電場誘導(dǎo)的，完全是由特殊晶體結(jié)構(gòu)誘發(fā)的。場誘導(dǎo)的，完全是由特殊晶體結(jié)構(gòu)誘發(fā)的。電介質(zhì)電介質(zhì)極性分子電介質(zhì)極性分子電介質(zhì)非極性分子電介質(zhì)非極性分子電介質(zhì)主要差別：是分子的正、負(fù)電荷統(tǒng)計重心是否重合，第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能極性分子存在極性分子存在電偶極矩電偶極矩，其電偶極矩為，其電偶極矩為:極化電荷極化電荷：是指和外電場強度相垂直的電介質(zhì)表面：是指和外電場強度相垂直的電介質(zhì)表面分別出現(xiàn)的正、負(fù)電荷，這些電荷不能自

6、由移動，分別出現(xiàn)的正、負(fù)電荷，這些電荷不能自由移動，也不能離開，總值保持中性。也不能離開，總值保持中性。電介質(zhì)在電場作用下的極化程度用極化強度矢量電介質(zhì)在電場作用下的極化程度用極化強度矢量P表示，表示，極化強度極化強度P是電介質(zhì)單位體積內(nèi)的感生偶極是電介質(zhì)單位體積內(nèi)的感生偶極矩，可表示為：矩，可表示為：VPlim單位為庫侖單位為庫侖/米米2 (C/m2)第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能V宏觀上無限小微觀宏觀上無限小微觀上無限大的體積元上無限大的體積元V(1).真空中真空中 P P = 0 0 ，真空中無電介質(zhì)。，真空中無電介質(zhì)。(2).導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體

7、內(nèi) P P = 0 0 ，導(dǎo)體內(nèi)不存在電偶極子。，導(dǎo)體內(nèi)不存在電偶極子。(3). 電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度，排列愈有序說明極化愈烈程度，排列愈有序說明極化愈烈第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能已經(jīng)證明，電極化強度就等于分子表面電荷密度已經(jīng)證明，電極化強度就等于分子表面電荷密度，即，即P = 實驗證明，電極化強度不僅與所加外電場有關(guān)，而且還和極化電實驗證明，電極化強度不僅與所加外電場有關(guān)，而且還和極化電荷所產(chǎn)生的電場有關(guān)，即荷所產(chǎn)生的電場有關(guān)，即因為因為所以所以介電系數(shù)是綜合反介電系數(shù)是綜合

8、反映介質(zhì)內(nèi)部電極化映介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個主要宏行為的一個主要宏觀物理量觀物理量第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能 2 2、電介質(zhì)極化類型、電介質(zhì)極化類型極化類型極化類型彈性位移極化彈性位移極化（瞬時極化）（瞬時極化）取向極化取向極化電子位移極化電子位移極化空間電荷極化空間電荷極化離子位移極化離子位移極化 馳豫極化馳豫極化電子馳豫極化電子馳豫極化離子馳豫極化離子馳豫極化第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能3 3、電介質(zhì)極化機制、電介質(zhì)極化機制（1）位移極化）位移極化電子位移極化：電子位移極化：在外電場作

9、用下，原于外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移，原子中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移。根據(jù)玻爾原子模型，經(jīng)典理論可以計算出電子的平均極化率：R為原子半徑響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為10-1410-16 S可見光頻段第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能離子位移極化：離子位移極化：第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能離子在電場作用下偏移平衡位置的移動，相當(dāng)于形成一個感生偶極矩；也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長。根據(jù)經(jīng)典彈性振動理論可以估計出離子位移極化率：式中：a為晶格常數(shù)；n為電子層斥力指數(shù)，離子晶體n

10、為710響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為10-1210-13 S ,微波頻段注：只有當(dāng)分子結(jié)構(gòu)有極化時，離子的位移極化才表現(xiàn)的較為突出，在無極性分子中離子位移極化率很小，這時仍以電子極化為主。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能（2）馳豫（松弛）極化）馳豫（松弛）極化當(dāng)材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子等弛豫質(zhì)點時，溫度造成的熱運動使這些質(zhì)點分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時建立了極化狀態(tài)。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，稱為熱弛豫(松弛)極化。特點：特點：與熱運動有關(guān)。極化需要克服一定的勢壘，因而需要消耗一定的能量。是非彈性的。不可逆帶電質(zhì)點熱運動距離遠(yuǎn)。第二章

11、第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能電子馳豫極化電子馳豫極化eT: 由于晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)引入、化學(xué)成分局部改變等因素，使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級形成所謂弱束縛電子。外加電場使弱束縛電子的運動具有方向性，這就形成了極化狀態(tài)，稱之為電子弛豫極化。響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為10-210-9 S ,離子馳豫極化離子馳豫極化aT: 在玻璃態(tài)物質(zhì)中，結(jié)構(gòu)松散的離子晶體或晶體中的雜質(zhì)或缺陷區(qū)域，自身能量較高，易于活化遷移的弱聯(lián)系離子。在外加電場作用下可以從一平衡位置移動到另一平衡位置，形成極化狀態(tài)，稱為離子馳豫極化。第二章第二章 材料的電性能材料

12、的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能離子熱弛豫極化率的大小：離子熱弛豫極化率的大?。?為弱離子在電場作用下的遷移量響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為10-210-5S ，無線電頻率。（3）取向（轉(zhuǎn)向）極化）取向（轉(zhuǎn)向）極化指極性介電體的分子偶極矩在外電場作用下，沿外施電場方向轉(zhuǎn)向，而產(chǎn)生宏觀偶極矩的極化，這種稱為取向極化介質(zhì)中存在固有電矩響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為10-210-10S ，無線電頻率。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能（4）空間電荷極化）空間電荷極化離子多晶體的晶界處、晶體缺陷、微區(qū)夾層與不均質(zhì)結(jié)構(gòu)等存在空間電荷，這些混亂分布的空間電荷，在

13、外電場作用下，趨向于有序化，即空間電荷的正負(fù)電荷質(zhì)點分別向外電場的負(fù)、正極方向移動，從而表現(xiàn)為極化。大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時。只對直流和低頻下的強度有貢獻第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能4 4、宏觀極化強度與微觀極化率關(guān)系、宏觀極化強度與微觀極化率關(guān)系第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能退極化場Ed第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能2.2.2 2.2.2 介電損耗介電損耗當(dāng)介電質(zhì)受交變電場作用時，由于偶極子取向需要克服分子間的摩擦力等原因，往往會發(fā)生

14、電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能（如熱能）的情況，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間損耗的電能叫介電損耗一、復(fù)介電常數(shù)及損耗因子一、復(fù)介電常數(shù)及損耗因子其回路電流第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能正玄電壓下的理想平板電容器第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能 真實的電介質(zhì)平板電容器的總電流，包括了三個部分：由理想的電容充電所造成的電流Ic；電容器真實電介質(zhì)極化建立的電流Iac；電容器真實電介質(zhì)漏電流Ide如果以復(fù)數(shù)形式表

15、示交變電場強度和電通量密度（電位移），則如果以復(fù)數(shù)形式表示交變電場強度和電通量密度（電位移），則有有tiEEexp0tiexp0第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能由式由式 得到電介質(zhì)介電常數(shù)的復(fù)數(shù)形式得到電介質(zhì)介電常數(shù)的復(fù)數(shù)形式 E i式中，式中， 為介電常數(shù)的實部，它與電介質(zhì)在每周期內(nèi)儲存的為介電常數(shù)的實部，它與電介質(zhì)在每周期內(nèi)儲存的最大電能有關(guān)；最大電能有關(guān)； 為介電常數(shù)的虛部，與電介質(zhì)在每一周期為介電常數(shù)的虛部，與電介質(zhì)在每一周期內(nèi)以熱的形式消耗的電能有關(guān)內(nèi)以熱的形式消耗的電能有關(guān)。 復(fù)介電常數(shù)的實部復(fù)介電常數(shù)的實部 相當(dāng)于靜介電常數(shù)相當(dāng)于靜

16、介電常數(shù) ，它使電容電流，它使電容電流增大（因為大于增大（因為大于1），其虛部），其虛部 則表示了介電損耗的大小，則表示了介電損耗的大小，通常稱之為介通常稱之為介電損耗因子電損耗因子。介電損耗也可用損耗角的正切。介電損耗也可用損耗角的正切 表征，即表征，即 tg第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能此相移相當(dāng)于所加電壓與感應(yīng)電流之間的時間滯后，它引起此相移相當(dāng)于所加電壓與感應(yīng)電流之間的時間滯后，它引起交流電路中的損耗電力和能量耗散。交流電路中的損耗電力和能量耗散。損耗因子是電介質(zhì)作為損耗因子是電介質(zhì)作為絕緣材料是否有用的基本判據(jù)。絕緣材料是否有用的基本

17、判據(jù)。為此，最好是有低的介電常為此，最好是有低的介電常數(shù)，特別是很小的損耗角（對于理想電容器，數(shù)，特別是很小的損耗角（對于理想電容器， ）。）。對于要求以最小的物理空間中獲得高電容量的場合，必須用對于要求以最小的物理空間中獲得高電容量的場合，必須用高介電常數(shù)的材料。不過，對這些應(yīng)用來說，具有低的損耗高介電常數(shù)的材料。不過，對這些應(yīng)用來說，具有低的損耗因子也是同樣重要的。因子也是同樣重要的。 0tg第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能2.2.3 2.2.3 介電強度（介電擊穿強度）介電強度（介電擊穿強度）電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)的擊穿 一般外電場不太強時，電

18、介質(zhì)只被一般外電場不太強時，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。當(dāng)其處在很強的外電場極化，不影響其絕緣性能。當(dāng)其處在很強的外電場中時，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心被拉開，甚至脫中時，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。當(dāng)當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時，使電介質(zhì)施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿擊穿(breakdown)(breakdown)。 擊穿場強擊穿場強電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場強。電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場強。擊穿電壓擊穿電壓電介質(zhì)（或

19、電容器）擊穿時兩極板的電壓電介質(zhì)（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能影響材料介電強度的因素影響材料介電強度的因素 介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性晶相、玻璃相、氣孔等晶相、玻璃相、氣孔等 材料中氣泡的作用材料中氣泡的作用氣泡本身抵抗電場強度比固體介質(zhì)低很多氣泡本身抵抗電場強度比固體介質(zhì)低很多 材料表面狀態(tài)與邊緣電場材料表面狀態(tài)與邊緣電場固體介質(zhì)表面常常發(fā)生介質(zhì)表面放電固體介質(zhì)表面常常發(fā)生介質(zhì)表面放電電極的邊緣常發(fā)生電場畸變，使邊緣局部電場強電極的邊緣常發(fā)生電場畸變，使邊緣局部電場強度升高，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?。度升高?/p>

20、導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆怠?.2.3 2.2.3 材料的壓電性材料的壓電性第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859. Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906 長期從事晶體方面的研究，做出許多卓有成效的工作 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能Born in Warsaw on November 7, 1867Marie died of

21、leukaemia in July, 19341894年，?？颂兀╓. Voigt）更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囟ǔ鼍w結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)32種晶類（class）具有壓電效應(yīng)。第一次世界大戰(zhàn)期間，藍(lán)杰文（P. Langevin）第一次利用石英晶體制成了聲納，用于探測海洋深度。此后，石英振蕩器技術(shù)開始受到重視，并逐漸擴大了應(yīng)用領(lǐng)域。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能壓電性壓電性就是指某些晶體材料按所施加的機械應(yīng)力成就是指某些晶體材料按所施加的機械應(yīng)力成比例地產(chǎn)生電荷的能力。比例地產(chǎn)生

22、電荷的能力。一、壓電效應(yīng)（一、壓電效應(yīng)（Piezoeletric effect)正壓電效應(yīng)-當(dāng)對石英晶體在一定方向上施加機械應(yīng)力時，在其兩端表面上會出現(xiàn)數(shù)量相等、符號相反的束縛電荷；而且在一定范圍內(nèi)電荷密度與作用力成正比。逆壓電效應(yīng)-石英晶體在一定方向的電場作用下，則會產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場強度成正比。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能1. 石英晶體的壓電性石英晶體的壓電性第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介

23、電性能石英作為壓電晶體的代表，最早獲得了實際應(yīng)用。石英作為壓電晶體的代表，最早獲得了實際應(yīng)用。那么，石英晶體在機械力的作用下為什么會在其那么，石英晶體在機械力的作用下為什么會在其表面產(chǎn)生電荷呢？表面產(chǎn)生電荷呢？ 受到外力作用，石英晶體表面帶上電荷受到外力作用，石英晶體表面帶上電荷 當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩1、2、3。 如圖（a）所示。 因為= qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 1+2+30所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（x 0在y、z方

24、向上的分量為: ( 1+ 2+ 3)y = 0 ( 1+ 2+ 3)z= 0當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（x 0）作用時，其變化情況如圖（c）所示。電偶極矩1增大， 2、 3減小，此時它們在x、y、z三個方向上的分量為 (1 +2 +3) x0 (1+ 2+ 3)y =0 (1 +2 +3)z =0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷?？梢?，當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力x 作用時，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y軸方向受力y作用下的情況與x 相似。當(dāng)y 0時，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)y 0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在y（即機械軸）方向的

25、力 y作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 晶體在z軸方向受力z的作用時，因為晶體沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力z 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 若從晶體上切下一塊如圖（a）所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力x時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度11與應(yīng)力x 成正比。bcFddPxx111111bcqPx11xxFdq11xxxxxCFdCqU11xxEdaUdaa1111若在同一切片上，沿機械軸若在同一切片上，沿機械軸y y方向施加應(yīng)

26、力方向施加應(yīng)力y y，則仍在，則仍在與與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷q qy y，其大小為，其大小為 yyFabdFacbcdq121212yFabdq1112xUabdb11xyxxCFabdCqU1112xEdbb11zFdq33xzxyzyAAFdAAFdq3132第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能二、壓電材料主要的表征參數(shù)二、壓電材料主要的表征參數(shù)1、機械品質(zhì)因數(shù)壓電振子-當(dāng)向一個具有一定取向和形狀制成的有電極的壓電晶片(或極化了的壓電陶瓷片)輸入電場，其頻率與晶片的機械諧振頻率一致時。就會使晶片因逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生機械諧振

27、。壓電振于諧振時，仍存在內(nèi)耗，造成機械損耗，使材料發(fā)熱，降低性能。反映這種損耗程度的參數(shù)稱為機械品質(zhì)因數(shù)Qm，其定義式為：第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能晶振的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能式中: Wm為振動一周單位體積存貯的機械能,Wm為振動一周內(nèi)單位體積內(nèi)消耗的機械能。2、機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)常用K表示，其定義為:機械能和電能轉(zhuǎn)換的量度第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能三、影響材料壓電性能的因素三、影響材料壓電性能的因素1、晶體結(jié)構(gòu)對

28、壓電性的影響壓電效應(yīng)只能在不具有對稱中心的晶體內(nèi)才能發(fā)生，具有對稱中心的晶體都不具有壓電效應(yīng)。非極性分子基本不呈現(xiàn)壓電性，空間電荷不均一分布的有可能出現(xiàn)壓電性。2、壓電材料的預(yù)極化對壓電性能的影響所謂預(yù)極化就是在宏觀不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的壓電陶瓷上加上一個強直流電，使陶瓷中的電疇沿電場方向取向排列。時間、溫度壓電傳感器壓電傳感器 是利用壓電效應(yīng)制造而成的。壓電傳感器主要應(yīng)用在是利用壓電效應(yīng)制造而成的。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。加速度、壓力和力等的測量中。 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。重量輕。壓電傳感器壓電陶瓷點火器壓電陶瓷點火器清華大學(xué)研制的直徑清華大學(xué)研制的直

29、徑1毫米世界最小超聲馬達毫米世界最小超聲馬達 利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲頻率的利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)振動，然后靠定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。子轉(zhuǎn)動。超聲用壓電陶瓷換能器超聲用壓電陶瓷換能器第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能2.2.4 2.2.4 材料的熱釋電性和鐵電性材料的熱釋電性和鐵電性某些晶體除了由于應(yīng)力產(chǎn)生電荷以外，溫度的變化也可以引起電極狀態(tài)的改變，因此當(dāng)均勻加熱時，這類晶體能夠產(chǎn)生極化而形成偶極子。這種效應(yīng)稱為熱釋電效應(yīng)（Py

30、roelectric effect)。一、材料的熱釋電性一、材料的熱釋電性熱釋電效應(yīng)是由于晶體中存在自發(fā)極化而引起的第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能熱釋電晶體的內(nèi)部存在著熱釋電晶體的內(nèi)部存在著自發(fā)極化自發(fā)極化，在恒溫時，由于極化電，在恒溫時，由于極化電荷電場的作用，從周圍空氣中吸引自由電荷導(dǎo)晶體表面上來，荷電場的作用，從周圍空氣中吸引自由電荷導(dǎo)晶體表面上來，補償了晶體內(nèi)部的極化電荷，所以觀察不到晶體的帶電性。補償了晶體內(nèi)部的極化電荷，所以觀察不到晶體的帶電性。當(dāng)溫度變化時，晶體的自發(fā)極化立即隨溫度變化，而分布于當(dāng)溫度變化時，晶體的自發(fā)極化立即隨溫

31、度變化，而分布于晶體表面上的自由電荷層較為穩(wěn)定，通常跟不上極化電荷的晶體表面上的自由電荷層較為穩(wěn)定，通常跟不上極化電荷的變化，于是顯露出帶電性，即在晶體的兩端面上產(chǎn)生電位差變化，于是顯露出帶電性，即在晶體的兩端面上產(chǎn)生電位差的變化，產(chǎn)生的電荷量與溫度的變化成正比。的變化，產(chǎn)生的電荷量與溫度的變化成正比。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能 具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性，僅當(dāng)晶體中存在有與其它極軸都不同的唯一極軸時，才可能有熱膨脹引起晶體總電矩的改變，從而表現(xiàn)為熱釋電性。注： 具有對稱中心的晶體不可能具有熱釋電性 熱釋電傳感器可探測熱釋電傳感器

32、可探測115m的紅外區(qū)域，的紅外區(qū)域，廣泛地應(yīng)用于輻射溫度測量、紅外光譜測量、廣泛地應(yīng)用于輻射溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、非接觸式溫度測量、工業(yè)過激光參數(shù)測量、非接觸式溫度測量、工業(yè)過程自動監(jiān)控、安全警戒、紅外攝像與空間技程自動監(jiān)控、安全警戒、紅外攝像與空間技術(shù)等方面。單元傳感器的應(yīng)用包括入侵者報術(shù)等方面。單元傳感器的應(yīng)用包括入侵者報警、火警、氣體分析、污染監(jiān)控等。多元陣警、火警、氣體分析、污染監(jiān)控等。多元陣列則可用于熱成像、紅外光譜分析、激光束列則可用于熱成像、紅外光譜分析、激光束剖面分析等。剖面分析等。常見熱釋電紅外傳感器的外形紅外測溫儀紅外測溫儀前面講到，前面講到，在外加電場作

33、用下，介質(zhì)的極化強在外加電場作用下，介質(zhì)的極化強度與宏觀電場成正比，這類介質(zhì)稱為線性介質(zhì)。度與宏觀電場成正比，這類介質(zhì)稱為線性介質(zhì)。 是不是所有的電介質(zhì)都是這樣呢？第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能二、材料的鐵電性二、材料的鐵電性非線性電介質(zhì)-即使在無電場作用下也能表現(xiàn)出很強的電偶極矩，這些電偶極矩在反相電場作用下可以重新取向，其極化強度與外加電場強度的關(guān)系是非線性的。1、鐵電體、電疇、鐵電體、電疇（1）電滯回線和鐵電體）電滯回線和鐵電體1920年，法國人Valasek

34、發(fā)現(xiàn)羅息鹽（酒石酸鉀鈉）具有特異的介電性能，即極化強度隨外加電場的變化滿足電滯回線，把具有這種性質(zhì)的晶體稱為鐵電體。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能構(gòu)成電滯回線的幾個重要參量：飽和極化強度：Ps剩余極化強度：Pr矯頑電場：Ec居里溫度：Tc電滯現(xiàn)象與電滯回線（以鈦酸鋇為例）電滯現(xiàn)象與電滯回線（以鈦酸鋇為例）EPoCto120 EPoCto120 ABCDsPsP rPrP 溫度較高時，電極溫度較高時，電極化強度與電場強度化強度與電場強度成正比。成正比。溫度較低時，電極化強度與溫度較低時，電極化強度與電場強度不成正比，而是滯電場強度不成正比，而是滯

35、后于電場強度的變化，形成后于電場強度的變化，形成電滯回線。電滯回線。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能v鐵電體具有自發(fā)極化.v電偶極矩在外電場作用下, 可以改變?nèi)∠?。v在同一外電場作用下，極化強度可以有雙值，表現(xiàn)為電場置的雙值函數(shù).（2）電疇）電疇由于電退極化場與極化方向反向，使靜電能升高。在受機械約束時，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加，所以整體均勻極化的狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成多個小區(qū)域。每個區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一方向但不同小區(qū)域的電偶極子方向不同，這每個小區(qū)域稱為電疇(簡稱疇)。第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的

36、介電性能材料的介電性能疇壁電疇結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)第二章第二章 材料的電性能材料的電性能第二節(jié)第二節(jié) 材料的介電性能材料的介電性能電疇的運動：新疇出現(xiàn)、發(fā)展與疇壁移動來實現(xiàn)的180疇轉(zhuǎn)向是通過許多尖劈形新疇出現(xiàn)而發(fā)展90疇主要通過是疇壁側(cè)向移動來實現(xiàn)剩余極化結(jié)論：電滯回線是鐵電體的鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述注意：鐵電體的介電常數(shù)不是恒定值，一般以O(shè)A 在原點的斜率來代表介電常數(shù)，所以在測定介電常數(shù)時，外電場應(yīng)很小。鐵電體的起源極化的本質(zhì): 對稱性的減小64K FeRAM鐵電存儲器鐵電存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域：鐵電存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域：強耐輻射能力強耐輻射能力 空間和航天技術(shù)應(yīng)用空間和航天技術(shù)應(yīng)用優(yōu)異的讀寫耐久性優(yōu)異的讀寫耐久性 電視頻道存儲器、游戲機數(shù)字存電視頻道存儲器、游戲機數(shù)字存儲器、儲器、汽車?yán)锍瘫砥嚴(yán)锍瘫砗蛷?fù)印機計數(shù)器等應(yīng)用和復(fù)印機計數(shù)器等應(yīng)用低電壓工作和低功耗低電壓工作和低功耗移動電話及射頻移動電話及射頻識別系統(tǒng)識別系統(tǒng)中的