《材料性能學》課件-第12-1材料的壓電性能與鐵電性能

材料性能學第十二章材料的壓電性能與鐵電性能壓電效應壓電振子與壓電方程壓電性能的主要參數(shù)壓電材料及其應用第一節(jié)壓電性能壓電效應壓電性的定義:壓電性是指某些晶體材料按所施加的機械應力成比例地產生電荷的能力。壓電效應對壓電晶體在一定方向上施加機械應力時，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；作用力相反時，表面荷電性質亦反號，而且在一定范圍內電荷密度與作用力成正比，稱為正壓電效應反之，在一定方向的電場作用下，則會產生外形尺寸的變化，在一定范圍內，其形變與電場強度成正比，稱為逆壓電效應壓電效應:壓電效應晶體壓電效應的本質：因為機械作用（應力與應變）引起了晶體介質的極化，從而導致介質兩端表面內出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。壓電效應機理示意圖（a）（b）（c）-------+++-----++---+壓電性能的主要參數(shù)(自學)介電常數(shù)介質損耗彈性系數(shù)壓電常數(shù)機械品質因素機電耦合系數(shù)壓電材料及其應用上世紀自40年代中期出現(xiàn)了BaTiO3陶瓷以后，壓電陶瓷的發(fā)展較快。兩個分支：一是晶體和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子聚合物）。有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯酸鉛、鋯鈦酸鉛、其它壓電陶瓷材料應用用于電聲器件中的揚聲器、送話器、拾聲器等；用于水下通訊和探測的水聲換能器和魚群探測器等；用于雷達中的陶瓷表面波器件；用于導航中的壓電加速度計和壓電陀螺等；用于通訊設備中的陶瓷濾波器、陶瓷鑒頻器等；應用用于精密測量中的陶瓷壓力計、壓電流量計、壓電厚度計等；用于紅外技術中的陶瓷紅外熱電探測器；用于超聲探傷、超聲清洗、超聲顯像中的陶瓷超聲換能器；用于高壓電源的陶瓷變壓器。第二節(jié)熱釋電與鐵電性能一、自發(fā)極化及其微觀機制

在晶體中，如果晶胞中正負電荷中心不相重合，即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體構造的周期性和重復性．晶胞的固有偶極矩便會沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)下。這種極化狀態(tài)是在外電場為零時自發(fā)產生的，因而稱為自發(fā)極化。具有自發(fā)極化的晶體必然是個帶電體，其電場強度取決于自發(fā)極化強度。

因為自發(fā)極化建立的電場吸引了晶體內部和外部空間的異號自由電荷，在晶體表面形成一個表面電荷層，結果自發(fā)極化建立的表面束縛電荷被吸引來的表面自由電荷所屏蔽．但是，改變溫度或者施加應力產生變形時，由于離子間距和鍵角發(fā)生變化，自發(fā)極化強度Ps也將發(fā)生變化。這時被自發(fā)極化束縛在表面的自由電荷層就有一部分可以恢復自由而釋放出來，使晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或在閉合電路中產生電流。這就是熱釋電效應和壓電效應．

為什么用實驗方法很難發(fā)現(xiàn)具有自發(fā)極化的晶體所帶電荷二、晶體的熱釋電效應1．熱釋電效應及其產生條件

晶體因溫度均勻變化而發(fā)生極化強度改變的現(xiàn)象稱為晶體的熱釋電效應對熱釋電晶體絕熱施加電場時，其溫度將發(fā)生變化，這種效應稱為逆熱釋電效應或電生熱效應．

產生條件：具有自發(fā)極化(固有極化)的晶體晶體結構的極軸與結晶學的單向重合具有對稱中心的具有壓電性的晶體不可能有熱釋電效應。2．熱釋電性能表征

熱釋電效應的強弱可用熱釋電系數(shù)來表示．P為熱釋電系數(shù)，單位為C·cm-2·K-1

熱釋電系數(shù)的種類當晶體處于夾持狀態(tài)時，由于晶體受熱其尺寸和形狀不變，所以，稱這種狀態(tài)下的熱釋電系數(shù)為恒應變熱釋電系數(shù)或一級熱釋電系數(shù)pS．當晶體處于自由狀態(tài)時，由于晶體可以自由膨脹和收縮，所以，這種狀態(tài)下的熱釋電系數(shù)稱為恒應力熱釋電系數(shù)pT．當晶體處于恒應力狀態(tài)時．由溫度所引起的形變通過正壓電效應使晶體產生附加的極化改變．一般將這種由于正壓電效應對熱釋電系數(shù)的貢獻稱為二級熱釋電系數(shù)p′恒應力熱釋電系數(shù)等于一級熱釋電系數(shù)和二級熱釋電系數(shù)之和，即

利用熱釋電效應可制成性能良好的紅外敏感元件．其對熱釋電材料的要求是：①能充分吸收入射的紅外線；②為了使吸收的單位熱能對應大的溫度上升幅度，熱釋電材料體比熱應小，且方便加工成微型或薄膜化元件；③跟溫度對應的表面電荷變化大，即熱釋電系數(shù)p大，室溫下的Ps值大，Tc(居里溫度)適當高時，熱釋電系數(shù)p變大(Tc低使工作溫度受到限制，且熱釋電系數(shù)p的溫度變化也大)；④與表面電荷變化相應的電容小，即材料的介電量??；⑤構成噪聲源之一的介電損耗角正切tanδ小．熱釋電材料的應用紅外成像傳感器、來客報知器、火災報警器等.在工業(yè)上，可用于非接觸測量旋轉體和高溫體的溫度，以及進行非破壞性檢測，還可裝備在衛(wèi)星上監(jiān)測環(huán)境污染和進行資源調查．三、晶體的鐵電性

1．鐵電體的特性在熱釋電晶體中，有若干種點群的晶體不但在某溫度范圍內具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個或多個可能的取向，在不超過晶體擊穿電場強度的電場作用下，其取向可以隨電場改變，這種特性稱為鐵電性，具有這種性質的晶體稱為鐵電體。鐵電體的特性電滯回線居里點具有臨界特性電滯回線鐵電體的電滯回線是鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述反鐵電體一般宏觀無剩余極化強度，但在很強的外電場作用下，可以誘導成鐵電相，其P－E呈雙電滯回線。居里溫度

由熱力學定律可知，壓電晶體的Gibbs自由能可表達為G=U-TS-TiSi-EiPi式中：G為Gibbs自由能；U為內能；T為絕對溫度；S為熵;Ti為應力;Si為應變;Ei為電場強度；Pi為極化強度．若不施加應力時，則有

G＝U-TS-PE而熵S與配位數(shù)ω間的關系為

S＝K1nω溫度達到某一溫度以上時，由于熱運動的結果，偶極子從電場的束縛中解放出來，使自由能G下降．這個臨界溫度就是居里溫度Tc．在溫度高于居里點時，自發(fā)極化為零，晶體不具有鐵電性，稱為非鐵電相或順電相．在居里點以下，由于存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相．當晶體存在兩個或多個鐵電相時，只有順電—鐵電相變溫度才稱為居里點．晶體從一個鐵電相到另一個鐵電相的轉變溫度稱為相變溫度或過渡溫度．順電相

鐵電相

臨界特性晶體在相變點附近所發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象式中：C為居里－外斯常數(shù)；ΘD是居里—外斯溫度或順電居里點．鐵電疇鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個小區(qū)域內，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個小區(qū)域就稱為鐵電疇。兩疇之間的界壁稱為疇壁。鐵電疇壁的厚度很薄,大約是幾個晶格常數(shù)的量級。鐵磁疇壁則很厚，可達到幾百個晶格常數(shù)的量級而且在磁疇壁中自發(fā)磁化方向可逐步改變方向，而鐵電體則不可能。鐵電疇與鐵磁疇有著本質的差別:電疇“轉向”

鐵電疇在外電場作用下，總是要趨向于與外電場方向一致。這形象地稱作電疇“轉向”。實際上電疇運動是通過在外電場作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展以及疇壁的移動來實現(xiàn)的。3．鐵電體的電致伸縮效應

電致伸縮效應是指介電體在電場作用下，由誘導極化而引起的形變．極化強度恒定時的彈性柔順系數(shù)電致伸縮常數(shù)自由介電隔離率4.鐵電、熱釋電、壓電、介電晶體之間的關系

圖12-13鐵電、熱釋電和壓電晶體間的相互關系第三節(jié)鐵電材料的電光效應及其應用一、電控雙折射效應對于極化后的細晶(晶粒大小約l~2μm)透明鐵電陶瓷，其光學性質與單軸晶的光學性質相似，光軸方向為極化軸方向．當一束光斜交于陶瓷極化軸方向傳播時，與光在單軸晶中的傳播一樣，會產生雙折射．光束會被分解為兩束偏振光o光和e光，令其折射率分別為n0和ne，則有效雙折射率Δn=ne-n0．透明鐵電陶瓷屬負單軸晶，Δn＜0，且Δn與陶瓷的剩余極化強度Pr有關，也與外加電場E有關，用Δn(Pr，E)表示．因此，細晶透明鐵電陶瓷的有效雙折射率可以通過改變剩余極化強度Pr和外加電場E進行控制，此即電控雙折射效應．圖12-14電光晶體電光調制原理圖

二、電控光散射效應

當施加外電場改變陶瓷極化軸取向時，就可以改變散射光強度的角分布，這就是電控光散射效應．圖12-15電控光散射原理示意圖圖12-16透明鐵電陶瓷電控光散射的相對光強度隨散射角的分布三、PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)陶瓷的各種電光性能及應用圖12-199／65／35PLZT陶瓷的光過率和紅外透過率圖12-20電滯回線及其典型光輸出響應（a）二次雙折射(b)二次去極化(c)線性記憶雙折射(d)開關記憶雙折射(e)散射記憶第四節(jié)影響材料壓電性及鐵電性的因素一、化學成分的影響圖12-22Pb(Zr，Ti)O3陶瓷的s和l／s隨組分的變化關系二、晶粒晶界的影響

陶瓷的鐵電性能與晶粒尺寸有很大關系．在小晶粒陶瓷中，晶界往往支配其介電行為．在最小的晶粒中，極化可能完全被這種效應所夾持，因而不能在外場中實現(xiàn)電疇反轉．在中等尺寸的晶粒中電疇反轉成為可能，但是因為應力和電場的不均勻分布，使相變展寬到一個大的溫度范圍，而且峰值介電常數(shù)也被壓低．最后，在達到最大晶粒時，體積鐵電行為起決定性的作用．圖12-25單晶和陶瓷的直流電阻率的溫度依賴性三、預極化條件

所謂壓電陶瓷是經(jīng)直流極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷．

若陶瓷的主晶相是鐵電體，則因鐵電體的自發(fā)極化方向可在外電場的作用下重新取向，通過外加直流電場的極化處理，各個晶粒的自發(fā)極化軸沿著外場方向取向，原來相互抵消的各個晶粒本身所固有的壓電效應便對外呈現(xiàn)出宏觀的剩余極化．這樣，對燒結后的鐵電陶瓷在一定條件下(即一定溫度和時間)施加強直流電場后，將在電場方向顯示出一定的凈極化強度，燒結后的鐵電陶瓷將由各向