材料性能學：11-材料的介電性能2

1、材料的鐵電性與壓電性第一節(jié) 概述第二節(jié) 自發(fā)極化鐵電體熱釋電體壓電體介電體第一節(jié) 概 述 晶體的介電性：電場作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象. P= (1 o)E = o ( r- 1) E正壓電效應(yīng)：電介質(zhì)材料在小外力作用下，在某些相對應(yīng)的表面上產(chǎn)生等量異號電荷，由形變產(chǎn)生電極化。P=d （不具有對稱中心的晶體）（水晶、羅息鹽、閃鋅礦）逆壓電效應(yīng)： S=dtE電致伸縮效應(yīng)：電介質(zhì)在大外力作用下，需考慮非線性項。S=vE2熱釋電效應(yīng)：在熱平衡條件下，電介質(zhì)因自發(fā)極化要產(chǎn)生表面束縛電荷，這種電荷被來自空氣中附集于電介質(zhì)表面上的自由電荷所補償，其電不能顯現(xiàn)出來，當溫度發(fā)生變化，由溫度變化引起電介質(zhì)的極

2、化狀態(tài)的改變不能及時被來自電介質(zhì)表面上的自由電荷所補償，使電介質(zhì)對外顯電性。Ps=p T（具有自發(fā)極化的晶體）鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場強度間的關(guān)系呈電滯回線特征。 （具有自發(fā)極化的晶體）第二節(jié) 自發(fā)極化+-+-+ -未加應(yīng)力加應(yīng)力不產(chǎn)生極化加應(yīng)力產(chǎn)生極化，正負電荷中心分開(1) 不具有自發(fā)極化特性，但為不對稱中心結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，產(chǎn)生極化。+-+未加應(yīng)力加應(yīng)力正負電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化結(jié)構(gòu)含有正負離子(2) 含有對稱中心的結(jié)構(gòu)-(3) 無對稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)-+-+-+-+極化軸C-+-+纖鋅礦(ZnS

3、)結(jié)構(gòu)在（010）上投影表示晶體極性鏈的兩種方法例1：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)-+-+固有偶極子正電荷層與負電荷層交替排列-+-+-+-+ 例2：由熱運動引起的自發(fā)極化鐵電體的位移性理論：自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)等軸晶系（大于120oC） ： 晶胞常數(shù)：a=4.01A 氧離子的半徑：1.32A 鈦離子的半徑： 0.64鈦離子處于氧八面體中，兩個氧離子間的空隙為：4.012 1.32= 1.37鈦離子的直徑：2 0.64=

4、1。28結(jié) 果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。溫度降低，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。鈦、氧離子的位移固有偶極子自發(fā)極化：這種極化狀態(tài)并非由外電場引起，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個晶胞內(nèi)存在有固有電矩，通常

5、將這類晶體稱為極性晶體。一般介電極化，是介質(zhì)在外電場作用下引起，沒有外電場，這些介質(zhì)的極化強度為0。電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列形成一個疇。無外加電場時，電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。外電場作用時，沿電場方向極化疇長大，逆電場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場方向，極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整個結(jié)晶體成為一個單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電場只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。由極化軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場很強，外電場的作用并不能改變晶體的極化強度，也不能改變其方向，所有質(zhì)點的偶極矩都平行，大部分是一個

6、電疇，這樣的熱釋電體大部分為一個電疇。由熱運動引起的自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點和電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。兩種極性（自發(fā)極化）晶體的比較：介電晶類（32種）不具有對稱中心的晶類 （21種）其中壓電晶類 （20種）極性晶類（熱釋電晶類） （10種）1，2，3，4，6，m，mm2.4mm,3m,6mm 非極性晶類 （11種）222,-4,-6,23,423(不具有壓電性）,-43m,422,-42m,32,622,-6m2 具有對稱中心的晶類 （11種）-1,2/m,4/m,- 3,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/mmm,m3m,-3m具有壓電性材料不一定是鐵電體

7、例如：具有壓電性材料又有鐵電性的材料BaTiO3 、Pb(Zr、Ti)O3、 Pb(Co 1/3 Nb 2/3 )O3 、Pb(Mn Sb )O3 、Pb(Sb Nb )O3。-石英、纖維鋅礦（ZnS)僅有鐵電性。第三節(jié) 鐵電性（Ferroelectricity）1、鐵電體電介質(zhì)的極化強度與施加電場呈正比： P= o eE鐵電材料的極化強度不與施加的電場成線性關(guān)系，并具有明顯的滯后。二者典型的關(guān)系如圖PEOABECPrCPs鐵電陶瓷的電滯回線Ps：無電場時單疇的自發(fā)極化強度；Pr：剩余極化強度；EC ：矯頑場強。鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢

8、量與電場強度間的關(guān)系呈電滯回線特征。自發(fā)極化：在某一低溫時由于熱能所造成的偶極子混亂排列被局部電場所克服，從而產(chǎn)生自發(fā)極化，晶體中每一個晶胞里存在固有的電偶極矩，形成永久偶極矩。這種電偶極子在無任何外場作用時自發(fā)排列。極性晶體：具有自發(fā)極化特性的晶體。鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動晶體。即具有鐵電性晶體。鐵電晶體的特點：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化改變方向時，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。鐵電晶體的兩大類：有序無序型鐵電體（自發(fā)極化同個別離子的有序化相聯(lián)系）；位移型鐵電體（自發(fā)極化同一類離子的亞點陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯(lián)系）鐵電體的性能及應(yīng)

9、用性能電滯回線、介電特性、非線性、晶界效應(yīng)應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用透明鐵電材料的應(yīng)用鐵電電容器的應(yīng)用獨石電容器結(jié)構(gòu)圖陶瓷介質(zhì)中間Ni電極底層Ag電極 PbAg內(nèi)電極片式結(jié)構(gòu)外層純Sn電極帶引線結(jié)構(gòu)環(huán)氧包封鍍錫銅線印刷電極第四節(jié) 壓電性（Piezoelectricity）1. 壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負電荷。逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場引起極化，則將產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力。極化方向+ + + + + + + + + + + + 自由電荷極化方向+ + + + + + + + + + + + + +

10、 + + + 正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)極化方向+ + + + + + + + + + + + 釋放電荷正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系： D = d Td: 壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場強度有如下關(guān)系： S = d Ed: 壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。2. 壓電材料的性能（1）機電偶合系數(shù)（2）機械品質(zhì)因數(shù)（3）頻率常數(shù)（4）壓電常數(shù)（5）彈性模量、相對介電常數(shù)、居里溫度等。介電質(zhì)的基本性能：介電常數(shù)、介電損耗等特殊應(yīng)用要求的性能：如：濾波器要求諧振頻率穩(wěn)定性高3. 壓電振子諧振特性及振動模式(1) 諧振特性壓電振子：極化后的壓電體諧振的產(chǎn)生：對壓電振子施加交變電場，

11、當電場頻率與壓電體的固有頻率一致時，產(chǎn)生諧振阻抗頻率反諧振諧振諧振頻率：形成駐波的頻率。形成駐波的條件：L= n / 2 振動頻率：f r=u/ （ u-聲波的傳播速度與物體的密度和彈性模量有關(guān)）諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 頻率為基頻，其它為二、三次等諧振當發(fā)生諧振時，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小(電流最大)的頻率f m附近.在兩個諧振之間有一反諧振f a ，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最大(輸出電壓最大)的頻率f n附近。C1C0L1R通過該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對值，對其求導，在R=0時，求出fm, fn fm=1/2(L1C1

12、)1/2 (串聯(lián)諧振）fn=1/2L1C1C0/(C0+C1) (并聯(lián)諧振）此時有：fm = fr, fn = fa壓電振子的等效電路電感的意義：當某一振子在交變電場的作用下，發(fā)生形變，引起另一壓電振子形變，從而感應(yīng)出電荷。其原因是由于振子的慣性引起，可等效為振子的質(zhì)量，而電容可等效為彈性常數(shù)，電阻由內(nèi)摩擦引起。（2）壓電振子的振動模式 伸縮振動、切變振動、彎曲振動薄片型極化方向薄長片極化方向厚度振動徑向振動輪廓振動或長度振動橫向效應(yīng)沿軸向振動厚度切變振動伸縮振動：極化方向與電場方向平行時產(chǎn)生的振動。包括長度伸縮振動、厚度伸縮振動。切變振動：極化方向與電場方向垂直時產(chǎn)生的振動。包括平面切變振動

13、、厚度切變振動。縱向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸平行。橫向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸垂直。彎曲振動：具有兩種以上激勵電極的振子，在極化方向與電場方向平行而施加的方式不同時，產(chǎn)生的振動。包括厚度彎曲和橫向彎曲。各種振動模式可達到的頻率范圍振動模式 頻 率 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G彎曲振動長度振動輪廓振動徑向振動厚度振動能阱振動聲表面波4 . 壓電材料及其應(yīng)用壓電材料鈦酸鋇鈦酸鉛鋯酸鉛鈦鋯酸鉛非鈣鈦礦型： 焦綠石、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁鈣鈦礦型壓電材料的應(yīng)用電聲器：揚聲器、送話筒水下通訊和探測：水聲換能器、魚群探測器雷達中的陶瓷表面波器件通訊設(shè)備：陶瓷濾波器精密測量：壓力計紅外技術(shù)：紅外熱電探測器高壓電源：變壓器高壓引線壓電陶瓷點火器墊塊外殼沖擊塊VV2V2輸入輸出伸縮振動壓電陶瓷變壓器彎曲振動剪切振動全