第三章材料物理性能

1、 第三章第三章 材料的介電性能材料的介電性能本章本章主要內(nèi)容主要內(nèi)容l電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及其極化l壓電性和熱釋電性壓電性和熱釋電性l鐵電性鐵電性1. 1. 以以電荷長程遷移電荷長程遷移即即傳導(dǎo)傳導(dǎo)的方式（可以是電子傳導(dǎo)、空的方式（可以是電子傳導(dǎo)、空穴傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo)）對外電場作出響應(yīng)，這類材料即穴傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo)）對外電場作出響應(yīng)，這類材料即導(dǎo)導(dǎo)電材料電材料； 材料對外電場作用的響應(yīng)材料對外電場作用的響應(yīng)2. 2. 以以感應(yīng)的方式感應(yīng)的方式對外電場作對外電場作出響應(yīng)，即沿電場方向產(chǎn)生出響應(yīng)，即沿電場方向產(chǎn)生電偶極矩電偶極矩或或電偶極矩的改變電偶極矩的改變，這類材料稱為這類材料稱為電介質(zhì)電介質(zhì)；這

2、種；這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)的極化。 極化極化絕緣體絕緣體電介質(zhì)電介質(zhì) 將物質(zhì)分類為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、以及超導(dǎo)體將物質(zhì)分類為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、以及超導(dǎo)體時，其依據(jù)是物質(zhì)的電荷傳導(dǎo)特性或者說電荷長程遷移時，其依據(jù)是物質(zhì)的電荷傳導(dǎo)特性或者說電荷長程遷移特性。電荷的傳導(dǎo)（電荷的長程遷移），作為物質(zhì)對外特性。電荷的傳導(dǎo)（電荷的長程遷移），作為物質(zhì)對外電場的響應(yīng)，其宏觀表現(xiàn)即為電流。根據(jù)歐姆定律電場的響應(yīng)，其宏觀表現(xiàn)即為電流。根據(jù)歐姆定律: : J=J= E E，其中，其中J J為電流密度，為電流密度，E E電場強度，而電場強度，而 為電導(dǎo)率張為電導(dǎo)率張量量( (二階對稱張量二階

3、對稱張量) )。電導(dǎo)率反映了物質(zhì)的電荷傳輸特性。電導(dǎo)率反映了物質(zhì)的電荷傳輸特性或電荷長程遷移特性?；螂姾砷L程遷移特性。 物質(zhì)對外電場的響應(yīng)除去電荷的傳導(dǎo)外，還有電荷短物質(zhì)對外電場的響應(yīng)除去電荷的傳導(dǎo)外，還有電荷短程運動與位移。這種電荷的短程運動與位移稱為程運動與位移。這種電荷的短程運動與位移稱為極化極化(Polarization)(Polarization)，其結(jié)果是促使正負電荷中心偏移、從而產(chǎn)，其結(jié)果是促使正負電荷中心偏移、從而產(chǎn)生生電偶極矩電偶極矩。而。而以極化方式傳遞、儲存或記錄外電場作用以極化方式傳遞、儲存或記錄外電場作用和影響的物質(zhì)就是電介質(zhì)和影響的物質(zhì)就是電介質(zhì)。顯然，。顯然，電介

4、質(zhì)中起主要作用的電介質(zhì)中起主要作用的乃是束縛電荷而非自由電荷乃是束縛電荷而非自由電荷。極化可以來自極性晶體或分。極化可以來自極性晶體或分子的自發(fā)極化、也可以來自電場的誘導(dǎo)作用。子的自發(fā)極化、也可以來自電場的誘導(dǎo)作用。 傳導(dǎo)與極化是物質(zhì)對電場的兩種主要響應(yīng)方式傳導(dǎo)與極化是物質(zhì)對電場的兩種主要響應(yīng)方式，它們雖有主次、但往往同時存在。當我們主要關(guān)注其它們雖有主次、但往往同時存在。當我們主要關(guān)注其傳導(dǎo)特性時，將物質(zhì)分類為絕緣體、半導(dǎo)體與導(dǎo)體；傳導(dǎo)特性時，將物質(zhì)分類為絕緣體、半導(dǎo)體與導(dǎo)體；而當我們重點關(guān)注其極化特性時，則將物質(zhì)分類為順而當我們重點關(guān)注其極化特性時，則將物質(zhì)分類為順電體、鐵電體、反鐵電體、

5、壓電體、熱釋電體等電介電體、鐵電體、反鐵電體、壓電體、熱釋電體等電介質(zhì)。質(zhì)。 電介質(zhì)與絕緣體是相互密切聯(lián)系、然而并不能等同電介質(zhì)與絕緣體是相互密切聯(lián)系、然而并不能等同的兩個概念。的兩個概念。絕緣體肯定是電介質(zhì)，但電介質(zhì)卻不僅絕緣體肯定是電介質(zhì)，但電介質(zhì)卻不僅僅包括絕緣體。僅包括絕緣體。雖然大部分實用電介質(zhì)材料為絕緣體，雖然大部分實用電介質(zhì)材料為絕緣體，然而半導(dǎo)體甚至金屬都有電介質(zhì)的特性、只是其對外然而半導(dǎo)體甚至金屬都有電介質(zhì)的特性、只是其對外電場的響應(yīng)中傳導(dǎo)效應(yīng)遠遠超過了極化效應(yīng)而已。電場的響應(yīng)中傳導(dǎo)效應(yīng)遠遠超過了極化效應(yīng)而已。 介電材料和絕緣材料是電子與電介電材料和絕緣材料是電子與電氣工程中

6、不可缺的功能材料。氣工程中不可缺的功能材料。3.1 3.1 電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及其極化3.1.1 3.1.1 平板電容器及其電介質(zhì)平板電容器及其電介質(zhì)電容電容 ：兩個臨近導(dǎo)體加上電壓后存儲：兩個臨近導(dǎo)體加上電壓后存儲電荷能力的量度。是表征電容器容電荷能力的量度。是表征電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量納電荷的本領(lǐng)的物理量 電容的單位是法拉，簡稱法，符號是電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F, F, 毫法毫法(mF)(mF)、微法、微法( (FF) )、納法、納法( (nFnF) ) 和和皮法皮法(pF)(pF)3.1.2 介電常數(shù)1）材料因素： 材料在電場中被極化的能力 2）尺寸因素： d 和A ：

7、平板間的距離和面積如果平板間為真空：在平行板電容器間放置某些材料，會使電容器存儲電荷的能力增加，CCCC0真空介電常數(shù)：0 =8.8510-12 F. m-1(法拉/米) 相對介電常數(shù)：r介電常數(shù)（電容率）： =0r(F/m)介電常數(shù)是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲電荷能力的物理量。dAVQC/0000CCrdAVQCdACCrr/00材料頻率范圍/Hz相對介電常數(shù)二氧化硅玻璃102-10103.78金剛石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯603.0聚甲基丙烯酸甲酯603.5鈦酸鋇1063000剛玉6093 3）電介質(zhì)的極化：）電介質(zhì)的極化：l

8、介電材料：放在平板電容器中增加電容介電材料：放在平板電容器中增加電容的材料的材料 l電介質(zhì)：在電場作用下能建立極化的物電介質(zhì)：在電場作用下能建立極化的物質(zhì)。質(zhì)。 在真空平板電容器中，嵌入一塊電介質(zhì)。在真空平板電容器中，嵌入一塊電介質(zhì)。加入外電場時，加入外電場時，在正極附近的介質(zhì)表面在正極附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負電荷，負極板附件的介質(zhì)表面感應(yīng)出負電荷，負極板附件的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷感應(yīng)出正電荷，這些電荷稱為，這些電荷稱為感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷或或束縛電荷束縛電荷。l極化：電介質(zhì)在電場作用產(chǎn)生束縛電荷極化：電介質(zhì)在電場作用產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。+偶極子+自由電荷束縛電荷3.1.23.1.2極化相關(guān)

9、的物理量極化相關(guān)的物理量1 1）電偶極矩：）電偶極矩：帶有等量異號電荷并且相距一段距離的荷電質(zhì)點，形帶有等量異號電荷并且相距一段距離的荷電質(zhì)點，形成電偶極矩。成電偶極矩。 對于極性分子電介質(zhì)，由于分子的正負電荷中心不重合，存對于極性分子電介質(zhì)，由于分子的正負電荷中心不重合，存在電偶極矩；對于非極性分子電解質(zhì)，由于外界作用，正負電荷在電偶極矩；對于非極性分子電解質(zhì)，由于外界作用，正負電荷中心瞬時分離，也產(chǎn)生電偶極距。中心瞬時分離，也產(chǎn)生電偶極距。 ql 電偶極子：具有一個正極和一個負極的分子或結(jié)構(gòu)電偶極子：具有一個正極和一個負極的分子或結(jié)構(gòu). .極化電荷：和外電場相垂直的電介質(zhì)表面分別出現(xiàn)的正負

10、電荷，不能自極化電荷：和外電場相垂直的電介質(zhì)表面分別出現(xiàn)的正負電荷，不能自由移動，也不能離開，總保持電中性。由移動，也不能離開，總保持電中性。2 2）極化強度）極化強度P P：電介質(zhì)極化程度的量度，單位體積內(nèi)的電偶極矩，數(shù)值電介質(zhì)極化程度的量度，單位體積內(nèi)的電偶極矩，數(shù)值上等于分子表面電荷密度上等于分子表面電荷密度 ； Xe: Xe: 電極化率電極化率, , 不同材料具有不同的值。不同材料具有不同的值。 VPEPe0 它和實際有效電場有關(guān)，實際電場包括它和實際有效電場有關(guān)，實際電場包括(1)(1)外加電場；外加電場；(2)(2)極化電荷極化電荷自身的電場自身的電場可以證明：可以證明：所以有：所

11、以有：令電位移令電位移D D為：為： 代入得：代入得：在各向同性的電介質(zhì)中，電位移等于場強的在各向同性的電介質(zhì)中，電位移等于場強的 倍。倍。 1re) 1(0rEPEPe0PED0EEEEPEDrr0000) 1(1. 1. 電子位移極化電子位移極化無外電場作用無外電場作用+ + E E- -3.1.3 3.1.3 極化機制極化機制 電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍的電電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移，原子中的正、負電荷重子云相對于原子核發(fā)生位移，原子中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，形成電矩，稱電子的位移極化。心產(chǎn)生相對位移，形成電矩，稱電子的位移極化。

12、特點：特點：1. 1. 范圍：一切氣體、液體及固體介質(zhì)中范圍：一切氣體、液體及固體介質(zhì)中2. 2. 能耗：具有彈性，當外電場去掉后，依靠正、負電荷間能耗：具有彈性，當外電場去掉后，依靠正、負電荷間的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性。不引的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性。不引起能量損耗起能量損耗3. 3. 與頻率關(guān)系：由于電子質(zhì)量輕，極化速度快，與頻率關(guān)系：由于電子質(zhì)量輕，極化速度快，1010-14-14-10-10-15-15秒，秒， 在各種頻率的交變電場下均能產(chǎn)生，與頻率無關(guān)在各種頻率的交變電場下均能產(chǎn)生，與頻率無關(guān)其平均極化率為：其平均極化率為：3034Re2. 2.

13、 離子位移極化離子位移極化 離子位移極化：電介質(zhì)中的正負離子在電場作用下發(fā)離子位移極化：電介質(zhì)中的正負離子在電場作用下發(fā)生可逆的彈性位移。正離子沿電場方向移動，負離子沿反生可逆的彈性位移。正離子沿電場方向移動，負離子沿反電場方向移動。由此形成的極化稱為離子位移極化。電場方向移動。由此形成的極化稱為離子位移極化。 離子在電場作用下偏移平衡位置的移動相當于形成一個離子在電場作用下偏移平衡位置的移動相當于形成一個感生偶極矩。感生偶極矩。 E E特點：特點：1. 1. 范圍：由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)中范圍：由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)中2. 2. 能耗：具有彈性，當外電場去掉后，依靠正、負電荷能耗：具有彈性，當外

14、電場去掉后，依靠正、負電荷間的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性。間的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性。有微量能量損耗有微量能量損耗3. 3. 與頻率關(guān)系：極化完成時間約為與頻率關(guān)系：極化完成時間約為l0 l0-12-12-10-10-13-13s s。離子位移極化率：離子位移極化率：0341naa式中：式中：a a為晶格常數(shù)；為晶格常數(shù)；n n為電子層斥力指數(shù)，為電子層斥力指數(shù)， 對于離子晶體對于離子晶體n n為為7-117-113 3、松弛極化（馳豫極化）、松弛極化（馳豫極化）1 1）. .松弛極化松弛極化 當材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運當材料中

15、存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使這些松弛質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，動使這些松弛質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最后在一定的溫度下發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，叫做松弛極最后在一定的溫度下發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，叫做松弛極化?；?。2 2）. .特點特點 松弛極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離，可與分子大小相比松弛極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離，可與分子大小相比擬，甚至更大。因此這種擬，甚至更大。因此這種極化建立的時間較長極化建立的時間較長( (可達可達1010-2-2-10-10-9-9秒秒) )，需要，需要吸收一定的能

16、量，是一種吸收一定的能量，是一種非可逆非可逆的過程。的過程。 3 3）. .類型類型 松弛極化包括離于松弛極化，電子松弛極化和偶極子松弛極化，松弛極化包括離于松弛極化，電子松弛極化和偶極子松弛極化，多發(fā)生在多發(fā)生在晶體缺陷區(qū)或玻璃體內(nèi)晶體缺陷區(qū)或玻璃體內(nèi)。（一）電子松弛極化（一）電子松弛極化電子松弛極化是由弱束縛電子引起的極化。電子松弛極化是由弱束縛電子引起的極化。1. 1.弱束縛電子：弱束縛電子：晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學組晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學組成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局

17、部能級，形成弱束縛電子。中的局部能級，形成弱束縛電子。2. 2.電子松弛極化：電子松弛極化：電介質(zhì)在外電場作用下，其中弱聯(lián)系電子能在電介質(zhì)在外電場作用下，其中弱聯(lián)系電子能在一定范圍內(nèi)作定向運動，造成電荷分布不均勻，引起的極化。一定范圍內(nèi)作定向運動，造成電荷分布不均勻，引起的極化。 外加電場使弱束縛電子的運動具有方向性，外加電場使弱束縛電子的運動具有方向性， 形成極化狀態(tài)。形成極化狀態(tài)。這種極化與熱運動有關(guān)，也是一個熱松弛過這種極化與熱運動有關(guān)，也是一個熱松弛過 程，所以叫電子松程，所以叫電子松弛極化。弛極化。 電子松弛極化的過程是不可逆的，必然有能量的損耗。電子松弛極化的過程是不可逆的，必然有

18、能量的損耗。19（二）離子松弛極化（二）離子松弛極化 離子式電解質(zhì)在外電場作用下，其中的離子式電解質(zhì)在外電場作用下，其中的弱聯(lián)系離子弱聯(lián)系離子能在一個或幾個離子范圍內(nèi)作定向運動，以致內(nèi)部電荷能在一個或幾個離子范圍內(nèi)作定向運動，以致內(nèi)部電荷分布不均勻，而引起的極化。分布不均勻，而引起的極化。 1 1）強聯(lián)系離子：強聯(lián)系離子：在完整的離子晶體中，離子處于正常結(jié)在完整的離子晶體中，離子處于正常結(jié)點，能量最低，最穩(wěn)定，離子牢固地束縛在結(jié)點上，稱為強聯(lián)點，能量最低，最穩(wěn)定，離子牢固地束縛在結(jié)點上，稱為強聯(lián)系離子。它們在電場作用下，只能產(chǎn)生彈性位移極化。系離子。它們在電場作用下，只能產(chǎn)生彈性位移極化。 2

19、) 2)弱聯(lián)系離子：弱聯(lián)系離子：在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離于晶體中以在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離于晶體中以及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，易被活化遷移及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，易被活化遷移的離子，稱為弱聯(lián)系離子。的離子，稱為弱聯(lián)系離子。 弱聯(lián)系離子的極化從一個平衡位置到另一個平衡位置，當弱聯(lián)系離子的極化從一個平衡位置到另一個平衡位置，當去掉外電場時，離子不能回到原來的平衡位置，因而是去掉外電場時，離子不能回到原來的平衡位置，因而是不可逆不可逆的遷移。這種遷移的行程比彈性位移距離大。的遷移。這種遷移的行程比彈性位移距離大。20kTqaT1222 T Ta a極化率極化率

20、；q q為離子荷電量；為離子荷電量； 為弱離子電場作用下的遷移；為弱離子電場作用下的遷移； 溫度越高，熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增強，極溫度越高，熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增強，極化率減小?；蕼p小。 離子松弛極化率比位移極化率大一個數(shù)量級，可導(dǎo)致離子松弛極化率比位移極化率大一個數(shù)量級，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù)。材料大的介電常數(shù)。離子松弛極化率：離子松弛極化率：4. 4. 轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化( (取向極化）取向極化） 偶極分子在無外電場時就有一定的偶極矩，偶極分子在無外電場時就有一定的偶極矩， 但因熱運動緣故，但因熱運動緣故，它在各方向運動概率相同，故無外電場時它的宏觀電矩為零。但它在各方向運動概

21、率相同，故無外電場時它的宏觀電矩為零。但有有外電場時，由于偶極子要受到轉(zhuǎn)矩的作用，有沿外電場方向排列的外電場時，由于偶極子要受到轉(zhuǎn)矩的作用，有沿外電場方向排列的趨勢，因而呈現(xiàn)宏觀電矩，形成極化。趨勢，因而呈現(xiàn)宏觀電矩，形成極化。這種極化所需時間較長，約這種極化所需時間較長，約1010-2-21010-10-10s, s, 且極化是非彈性的，即撤去外電場后，偶極子不能恢復(fù)且極化是非彈性的，即撤去外電場后，偶極子不能恢復(fù)原狀。在極化過程中要消耗能量。原狀。在極化過程中要消耗能量。 轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)極性分子介質(zhì)中。具有恒定偶中。具有恒定偶極矩極矩的分子稱為極性分子。的

22、分子稱為極性分子。 在外場不是很高時，取向極化率：在外場不是很高時，取向極化率：kTd320無外場時的均方偶極距無外場時的均方偶極距 比電子極化大比電子極化大2 2個數(shù)量級，但由于分子質(zhì)量大，極化建個數(shù)量級，但由于分子質(zhì)量大，極化建立時間慢，約為立時間慢，約為1010-2-21010-10-10s s。5. 5. 空間電荷極化空間電荷極化在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)缺陷區(qū)，都可成為自由電荷（，都可成為自由電荷（電子、離子電子、離子）運動的障礙；運動的障礙； 在障礙處，自由電荷積聚，形成在障礙處

23、，自由電荷積聚，形成空間電荷極化空間電荷極化。這種極化這種極化所需時間最長，所需時間最長， 約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時。約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時。-+-+-+外電場外電場P極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流紅外溫度升高極化增強很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流超高頻隨溫度變化有極大值有電子松弛極化高價金屬氧化物直流超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機直流超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流高頻隨溫度升高而減小有各種極化形式的比較各種極化形式的比較6 6、自發(fā)極化、自發(fā)極化 是一

24、種特殊的極化方式。自發(fā)極化不是由外加電場是一種特殊的極化方式。自發(fā)極化不是由外加電場引起的，它是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的。在此類晶體中，引起的，它是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的。在此類晶體中，每個晶胞里存在固有電矩，此類晶體稱為極性晶體。每個晶胞里存在固有電矩，此類晶體稱為極性晶體。自發(fā)極化現(xiàn)象通常發(fā)生在一些具有特殊結(jié)構(gòu)的晶體中。自發(fā)極化現(xiàn)象通常發(fā)生在一些具有特殊結(jié)構(gòu)的晶體中。3.1.4 3.1.4 宏觀極化強度和微觀極化率的關(guān)系宏觀極化強度和微觀極化率的關(guān)系(1)(1)作用于分子、原子上的有效電場（作用于分子、原子上的有效電場（局部電場）局部電場）ElocEloc ：作用于分子、原子上的有效電場作用

25、于分子、原子上的有效電場外加電場外加電場E E0 0電介質(zhì)極化形成電介質(zhì)極化形成的退極化場的退極化場E Ed d周圍的荷周圍的荷電質(zhì)點作電質(zhì)點作用形成用形成E Ei i+ +- -E0EdEi03PEiidlocEEEE0E宏宏=E0+Ed質(zhì)點位置上的局部電場質(zhì)點位置上的局部電場E Elocloc （有效電場）：（有效電場）： E Elocloc=E=E0 0+E+Ed d+P/3+P/3 o o 對于對于氣體質(zhì)點氣體質(zhì)點，其質(zhì)點間的相互作用可以忽略，局，其質(zhì)點間的相互作用可以忽略，局部電場與外電場相同。部電場與外電場相同。 對于對于固體介質(zhì)固體介質(zhì)，周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特定，周圍介質(zhì)的

26、極化作用對作用于特定質(zhì)點上的局部電場有影響。質(zhì)點上的局部電場有影響。周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特定質(zhì)點上的電場貢獻。定質(zhì)點上的電場貢獻。（2 2）. .克勞修斯克勞修斯- -莫索堤方程莫索堤方程iiNPlociiElociiENP03PEPNii宏) 1(0rEP宏003) 1(PPPNriiiiirrN03121克勞修斯克勞修斯- -莫索堤方程莫索堤方程克勞修斯克勞修斯-莫索堤方程的意義：莫索堤方程的意義： 建立了可測物理量建立了可測物理量 r （宏觀量）與質(zhì)點極化率（宏觀量）與質(zhì)點極化率 （微觀（微觀量）之間的關(guān)系。量）之間的關(guān)系。iiirrN03121相對介電

27、常數(shù)相對介電常數(shù)偶極子種類偶極子種類極化率極化率偶極子數(shù)目偶極子數(shù)目宏觀介電常數(shù)宏觀介電常數(shù)微觀介電機制微觀介電機制)(3121443322110NNNNirr電子位電子位移極化移極化離子位離子位移極化移極化取向取向極化極化空間電空間電荷極化荷極化從克勞修斯從克勞修斯-莫索堤方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點：莫索堤方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點： （ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r 1 ）/（ r +2 ）- r越大其值越大越大其值越大克勞修斯克勞修斯- -莫索堤方程的適用范圍：莫索堤方程的適用范圍： 適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固適用于分子間作用很弱的氣體

28、、非極性液體、非極性固體、具有適當對稱性的固體。體、具有適當對稱性的固體。 介質(zhì)中質(zhì)點介質(zhì)中質(zhì)點極化率大極化率大，極化介質(zhì)中，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點數(shù)多極化質(zhì)點數(shù)多，則，則介質(zhì)具有介質(zhì)具有高介電常數(shù)高介電常數(shù)。電介質(zhì)在電場作用下，內(nèi)部通過的電流包括：電介質(zhì)在電場作用下，內(nèi)部通過的電流包括： ：電容電流：電容電流：由樣品的幾何電容的充電引起電流；由樣品的幾何電容的充電引起電流； ：介質(zhì)極化的建立引起的電流介質(zhì)極化的建立引起的電流：與極化的松弛（馳豫）：與極化的松弛（馳豫）過程有關(guān)；過程有關(guān)； ：介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流：與自由電荷有關(guān)。：與自由電荷有關(guān)。3.2 3.2

29、 交變電場下的電介質(zhì)交變電場下的電介質(zhì)3.2.1 3.2.1 復(fù)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗復(fù)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗 在在真空中的平行平板式電容器真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓兩極板上加交變電壓U=UU=Uo oe e i i t t，電容上的電流與外電壓相差，電容上的電流與外電壓相差9090o o的位相的位相。由由 Q=CQ=Co oU U U=Q/C U=Q/Co o= = Idt/CIdt/Co o I=C I=Co odU/dtdU/dt電容上的電流：電容上的電流： I Ic c=i=i C Co oU U 兩極板間填充相對介電常數(shù)為兩極板間填充相對介電常數(shù)為 r r的的理想介電材料理想

30、介電材料（絕緣、非極性），（絕緣、非極性）， 電容上的電流：電容上的電流：I=iI=i CU= iCU= ir rC Co oU= U= r rI Ic, c,電容上的電流與外電壓仍相差電容上的電流與外電壓仍相差9090o o的位相的位相如果介質(zhì)有微弱的導(dǎo)電如果介質(zhì)有微弱的導(dǎo)電，則其中有一個與外加電壓相位，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流通過相同的小電流通過（I= i CU+GU）Ui CU設(shè)設(shè)電導(dǎo)電導(dǎo)G僅由自由電荷產(chǎn)生，則僅由自由電荷產(chǎn)生，則: G= A/d , 由于電容由于電容: C= r 0A/d則電流密度則電流密度: J=(ir 0 + )E= *E 復(fù)電導(dǎo)率復(fù)電導(dǎo)率 * 的定義

31、：的定義： *= i r 0 + 復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)的定義：的定義： *i*rrri 電容項損耗項rrtg損耗角正切損耗角正切的定義：的定義： 表示為獲得給定的存儲電荷要消耗的能量的大小，表示為獲得給定的存儲電荷要消耗的能量的大小，是評價電介質(zhì)作為絕緣材料使用評價的參數(shù)。是評價電介質(zhì)作為絕緣材料使用評價的參數(shù)。德拜方程：德拜方程： r( )= r + rs - r /(1+i ) r = r + rs - r /(1+ 2 2) （ r( )的實部）的實部） r = rs - r /(1+ 2 2) （ r( )的虛部）的虛部） tg = r / r = 其中：其中： rs -低頻或靜態(tài)時的

32、相對介電常數(shù)低頻或靜態(tài)時的相對介電常數(shù) r - 時的相對介電常數(shù)時的相對介電常數(shù)德拜研究了電介質(zhì)的德拜研究了電介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù) r、反映介電損耗的反映介電損耗的 r 、所加所加電場的角頻率電場的角頻率及及松弛時間松弛時間之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。22)(rrsrrs3.2.2 介電松弛（弛豫）和德拜方程介電松弛（弛豫）和德拜方程 0.1 1 10 r rs r r =1， r最大，大于或小于最大，大于或小于1 時，時， r都小，都小，即：松弛時間和所加電場的頻率相比，松弛時間較長即：松弛時間和所加電場的頻率相比，松弛時間較長時，偶極子來不及轉(zhuǎn)移定向，時，偶極子來不及轉(zhuǎn)移定向， r就?。凰沙?/p>

33、時間比所就小；松弛時間比所加電場的頻率還要迅速，加電場的頻率還要迅速， r也小。也小?？臻g電荷極化空間電荷極化松弛極化松弛極化離子極化離子極化電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無線電無線電 紅外紅外 紫外紫外極極化化率率或或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系3.2.3 3.2.3 介電損耗介電損耗分析分析電介質(zhì)在電場作用下，單位時間電介質(zhì)在電場作用下，單位時間內(nèi)消耗的電能稱為介電損耗。內(nèi)消耗的電能稱為介電損耗。在直流電場下，在直流電場下，22EVGUVIUVPpw介質(zhì)損耗率介質(zhì)損耗率p p：單位體積的介質(zhì)損耗：單位體積的介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗率取決于材料的介質(zhì)損耗率取決于

34、材料的電導(dǎo)率電導(dǎo)率。 在交變電場下，介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，在交變電場下，介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，還與松弛極化過程有關(guān)，所以還與松弛極化過程有關(guān)，所以不僅決定于自由電荷電導(dǎo)，不僅決定于自由電荷電導(dǎo)，還由束縛電荷產(chǎn)生，與頻率有關(guān)。還由束縛電荷產(chǎn)生，與頻率有關(guān)。0 rrrtg（1 1）頻率的影響）頻率的影響介質(zhì)損耗和頻率、溫度的關(guān)系介質(zhì)損耗和頻率、溫度的關(guān)系0， 介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場的變化，此時不介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場的變化，此時不存在極化損耗，介電常數(shù)達到最大。介電損耗主要存在極化損耗，介電常數(shù)達到最大。介電損耗主要由漏導(dǎo)引起，與頻率無關(guān)。由漏導(dǎo)引起，與頻率

35、無關(guān)。tg = / 0，tg tg 當外加電場頻率當外加電場頻率逐漸升高逐漸升高時，松弛極化在時，松弛極化在某一頻率某一頻率開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數(shù)的貢獻開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數(shù)的貢獻逐漸減小，逐漸減小，很高時，很高時， r r , r 趨于最小值。趨于最小值。，tg 0 r tg （2 2）溫度的影響）溫度的影響T T 很低時很低時, , r 較小較小, tg 較小較小,且且221 T , r , tan ,Pw T T 較高時較高時, , 221T , tan ,Pw T T 很高時很高時, , r 下降下降, tan 增大增大陶瓷材料的損耗陶瓷材料的損

36、耗 電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗 取向極化和馳豫極化損耗取向極化和馳豫極化損耗 電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；高頻、低溫下，主要為結(jié)構(gòu)損耗；高頻、低溫下，主要為結(jié)構(gòu)損耗；1. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)3.4.1 壓電性壓電性3.4 3.4 壓電性和鐵電性壓電性和鐵電性 18801880年年J.J.居里和居里和P.P.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，對居里兄弟發(fā)現(xiàn)，對-石英單晶體在石英單晶體在一些特定方向上加力，則在力的垂直方向的平面上出現(xiàn)正、一些特定方向上加力，則在力的垂直方向的平面上出現(xiàn)正、負束縛電荷，后

37、來稱這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)。（正壓電效應(yīng)）負束縛電荷，后來稱這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)。（正壓電效應(yīng)） 居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)后的第二年（即居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)后的第二年（即18811881年），李普年），李普曼（曼（LippmannLippmann）依據(jù)熱力學方法，推知應(yīng)有逆壓電效應(yīng)存在，）依據(jù)熱力學方法，推知應(yīng)有逆壓電效應(yīng)存在，幾個月后，居里兄弟從實驗上驗證了這一點。幾個月后，居里兄弟從實驗上驗證了這一點。 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。 1 1）、正壓電效應(yīng)）、正壓電效應(yīng) 對晶體材料在一定方向上施加壓應(yīng)力時，在其對晶體材料在一定方向上施加壓應(yīng)力時，在其兩端

38、表面上會出現(xiàn)數(shù)量相等、符號相反的束縛電荷；兩端表面上會出現(xiàn)數(shù)量相等、符號相反的束縛電荷；如施加拉應(yīng)力，則表面荷電性質(zhì)反號。在一定范圍如施加拉應(yīng)力，則表面荷電性質(zhì)反號。在一定范圍內(nèi)電荷密度與作用力大小成正比。內(nèi)電荷密度與作用力大小成正比。 2 2）、逆壓電效應(yīng)）、逆壓電效應(yīng) 在一定方向的電場作用下，具有壓電效應(yīng)的晶在一定方向的電場作用下，具有壓電效應(yīng)的晶體材料會產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其體材料會產(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。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。形變與電場強度成正比。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 F FF F極化面極化面Q Q壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性正

39、壓電效應(yīng)的正壓電效應(yīng)的電位移電位移與施加的與施加的應(yīng)力應(yīng)力有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： D=dTd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變應(yīng)變與施加的與施加的電場強度電場強度有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： S=dEd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。電能電能機械能機械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)l壓電體：壓電體：具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體。l壓電性：壓電性：某些介質(zhì)在機械力作用下發(fā)生電極化或電極化某些介質(zhì)在機械力作用下發(fā)生電極化或電極化的變化，這樣的性質(zhì)稱為壓電性。的變化，這樣的性質(zhì)稱為壓電性。 目前

40、，已知壓電體超過千種，可以是晶體，多晶體，目前，已知壓電體超過千種，可以是晶體，多晶體，聚合物、生物體。聚合物、生物體。廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用：廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用：“壓電壓電效應(yīng)”讓人穿著衣服走路都能發(fā)電！國產(chǎn) 壓電 寫真機我們是“壓壓電電陶瓷點火器” 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z ZZ Z稱為稱為光軸；光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X XX X軸稱為軸稱為電電軸軸；與；與X XX X軸和軸和Z ZZ Z軸同時

41、垂直的軸同時垂直的Y YY Y軸（垂直于正六面軸（垂直于正六面體的棱面）稱為體的棱面）稱為機械軸。機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體石英晶體( (a a) )理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 ( (b b) )坐標系坐標系ZYX 通常把沿電軸通常把沿電軸X XX X方向的力作方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱縱向壓電效應(yīng)向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸，而把沿機械軸Y YY Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸，沿光軸Z ZZ Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 2 2、

42、晶體壓電性產(chǎn)生原因、晶體壓電性產(chǎn)生原因 -石英石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。的。-石英石英晶體屬于離子晶體，無對稱中心，化學組晶體屬于離子晶體，無對稱中心，化學組成是二氧化硅。石英晶體的硅離子成是二氧化硅。石英晶體的硅離子SiSi4+4+和氧離子和氧離子O O2-2-在在Z Z平面投影，如圖平面投影，如圖( (a a) )。為討論方便，將這些硅、氧離子。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖等效為圖( (b b) )中正六邊形排列，圖中中正六邊形排列，圖中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O2O2-2-。 (b)(a)+- - - -Y

43、XXY硅氧離子的排列示意圖硅氧離子的排列示意圖+l 當作用力當作用力F FX X=0=0時，正、負離子（即時，正、負離子（即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成三個互成120120夾角的偶極矩夾角的偶極矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如圖，如圖（a a）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 l當晶體受到沿當晶體受到沿X X方向的壓力（方向的壓力（F FX X000在在Y Y、Z Z方向上的分量為

44、方向上的分量為（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Z Z=0=0由上式看出，在由上式看出，在X X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y Y、Z Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+- - - -X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0+- - -P1P2P3可見，當晶體受到沿可見，當晶體受到沿X X( (電軸電軸) )方向的力方向的力F FX X作用時，它在作用時，它在X X方向產(chǎn)方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而生正壓電效應(yīng)，而Y Y、Z Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效

45、應(yīng)。晶體在晶體在Y Y軸方向力軸方向力F FY Y作用下的情況與作用下的情況與F FX X相似。當相似。當F FY Y0 0時，晶體的時，晶體的形變與圖（形變與圖（b b）相似；當）相似；當F FY Y0 0時，則與圖（時，則與圖（c c）相似。由此可見，）相似。由此可見，晶體在晶體在Y Y（即機械軸）方向的力（即機械軸）方向的力F FY Y作用下，使它在作用下，使它在Y Y方向產(chǎn)生正方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在壓電效應(yīng)，在X X、Z Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 （P1+P2+P3）X0Y+- - -X- -+FXFXP2P3P1+l 當晶體受到沿當晶體受到沿X X方向的拉力（方

46、向的拉力（F FX X0 0）作用時，其變化情況如）作用時，其變化情況如圖（圖（c c）。此時電極矩的三個分量為）。此時電極矩的三個分量為在在X X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y Y、Z Z方向則不出現(xiàn)電荷。方向則不出現(xiàn)電荷。 壓電效應(yīng)與晶體的對稱性有關(guān)。由前討論可知，壓電壓電效應(yīng)與晶體的對稱性有關(guān)。由前討論可知，壓電效應(yīng)的本質(zhì)是對晶體施加應(yīng)力時，改變了晶體內(nèi)的電極化，效應(yīng)的本質(zhì)是對晶體施加應(yīng)力時，改變了晶體內(nèi)的電極化，這種電極化這種電極化只能在不具有對稱中心的晶體內(nèi)才可能發(fā)生只能在不具有對稱中心的晶體內(nèi)才可能發(fā)生。 只有結(jié)構(gòu)上沒有對稱中心，才有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)只有結(jié)構(gòu)上沒有對

47、稱中心，才有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng) 而且必須是：電介質(zhì)而且必須是：電介質(zhì)（或至少具有半導(dǎo)體性質(zhì)）；其結(jié)構(gòu)（或至少具有半導(dǎo)體性質(zhì)）；其結(jié)構(gòu)必須有帶正、負電荷的質(zhì)點必須有帶正、負電荷的質(zhì)點-離子或離子團存在離子或離子團存在（離子晶（離子晶體或離子團組成的分子晶體）體或離子團組成的分子晶體）常用：常用： 石英晶體，鈦酸鋇，鈦酸鉛，鉍酸鉬等石英晶體，鈦酸鋇，鈦酸鉛，鉍酸鉬等3. 3. 壓電材料主要的表征參數(shù)壓電材料主要的表征參數(shù)（1 1）機電耦合系數(shù)）機電耦合系數(shù)（2 2）機械品質(zhì)因數(shù)）機械品質(zhì)因數(shù)（3 3）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)（4 4）彈性模量、相對介電常數(shù)、居里溫度等。）彈性模量、相對介電常數(shù)、居里溫度等

48、。機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)K K：表征壓電材料的機械能與電能之間的耦合關(guān)系，它的定義是表征壓電材料的機械能與電能之間的耦合關(guān)系，它的定義是通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的機械能儲入的電能總量K2= 儲入的機械能總量通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電能K2=由于壓電振子的機械能與振子的形狀和振動模式有關(guān)，因此對不同的模由于壓電振子的機械能與振子的形狀和振動模式有關(guān)，因此對不同的模式有不同的耦合系數(shù)：式有不同的耦合系數(shù)： 機電耦合系數(shù)越大越好機電耦合系數(shù)越大越好，國內(nèi)，國內(nèi)K Kp p可以從可以從0.10.1到到0.650.65。 機械品質(zhì)因數(shù)機械品質(zhì)因數(shù)QmQm：用來描述壓電振子在諧振時的能量損耗的。用來描述壓電振子在諧

49、振時的能量損耗的。壓電振子諧波時，要克服內(nèi)摩擦而消耗能量，造成機械損耗，壓電振子諧波時，要克服內(nèi)摩擦而消耗能量，造成機械損耗，Q Qm m就是用來描述這種損耗的，它的定義是就是用來描述這種損耗的，它的定義是 諧振時振子儲存的機械能量Qm=2 諧振每周振子損耗的機械能量Q Qm m的值越大，說明機械損耗越小，材料的品質(zhì)越好。的值越大，說明機械損耗越小，材料的品質(zhì)越好。國內(nèi)國內(nèi)Q Qm m可從可從101017001700。對于平面徑向振動模式測出的對于平面徑向振動模式測出的Q Qm m，近似計算式為，近似計算式為fRCC(41Q11om）,一般通過傳輸線法測出一般通過傳輸線法測出 等后，由式子求出

50、等后，由式子求出Q Qm m. . frfaf1R, f，式中3 . 3 . 壓電材料及其應(yīng)用壓電材料及其應(yīng)用鈦酸鋇鈦酸鋇鈦酸鉛鈦酸鉛鋯酸鉛鋯酸鉛鈦鋯酸鉛鈦鋯酸鉛非鈣鈦礦型：非鈣鈦礦型： 焦綠石、硫化鎘、氧化焦綠石、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁鋅、氮化鋁（1 1）材料）材料鈣鈦鈣鈦礦型礦型種類種類：n壓電晶體，如石英等；壓電晶體，如石英等；n壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；n壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。 對壓電材料特性要求：對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。要求具有轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)較大壓電常數(shù)。 機械性能。壓電元件作為受

51、力元件，希望它的機械機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、強度高、剛度大剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。 電性能。希望具有電性能。希望具有高電阻率高電阻率和和大介電常數(shù)大介電常數(shù)，以減弱外部分，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。 石英石英

52、（SiOSiO2 2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)這介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化。兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化。 在在2020200200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高11，壓電系數(shù)僅減少，壓電系數(shù)僅減少0.0160.016。但是當?shù)?。但是當?shù)?73573時，它完全失去了壓電特性，這就時，它完全失去了壓電特性，這就是它的是它的居里點。居里點。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 2

53、00dt/d20斜率：斜率：0.016/t6543210100 200 300400 500 600t/相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)居里點居里點 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準標準儀器或要求較高的傳感器中。儀器或要求較高的傳感器中。 因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、方向切割的晶片，其

54、物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時，溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCOBaCO3 3）和二氧化鈦和二氧化鈦（TiOTiO2 2）按）按1 1：1 1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的體的5050倍）。

55、不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120120），溫度穩(wěn)定性和），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。機械強度不如石英晶體。2 2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZTPZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶體PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它與鈦酸鋇相比，它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大壓電系數(shù)更大，居里溫度在居里溫度在300300以上以上，各項，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如

56、鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的得不同性能的PZTPZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnOZnO、CdS CdS 、CdTeCdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnOZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。料，可測取力和溫度等參數(shù)。壓電聚合物壓電聚合物 聚二氟乙烯（

57、聚二氟乙烯（PVDFPVDF）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強的）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強的聚聚合物薄膜合物薄膜，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVDF(PVDFPZT)PZT)。 （2 2） 應(yīng)用應(yīng)用l電聲器件中的揚聲器、送話器、拾聲器等；電聲器件中的揚聲器、送話器、拾聲器等；l水下通訊和探測的水聲換能器和魚群探測器等；水下通訊和探測的水聲換能器和魚群探測器等；l雷達中的陶瓷表

58、面波器件；雷達中的陶瓷表面波器件；l導(dǎo)航中的壓電加速度計和壓電陀螺等；導(dǎo)航中的壓電加速度計和壓電陀螺等；l通訊設(shè)備中的陶瓷濾波器、陶瓷鑒頻器等；通訊設(shè)備中的陶瓷濾波器、陶瓷鑒頻器等；l精密測量中的陶瓷壓力計、壓電流量計、壓電厚度計等；精密測量中的陶瓷壓力計、壓電流量計、壓電厚度計等；l紅外技術(shù)中的陶瓷紅外熱電探測器；紅外技術(shù)中的陶瓷紅外熱電探測器；l超聲探傷、超聲清洗、超聲顯像中的陶瓷超聲換能器；超聲探傷、超聲清洗、超聲顯像中的陶瓷超聲換能器；l高壓電源的陶瓷變壓器。高壓電源的陶瓷變壓器。高壓引線高壓引線壓電陶瓷點火器壓電陶瓷點火器墊塊墊塊外外殼殼沖擊塊沖擊塊V3.4.2 3.4.2 熱釋電性

59、熱釋電性 熱釋電效應(yīng)是由于溫度的變化而引起晶體表面極化改變熱釋電效應(yīng)是由于溫度的變化而引起晶體表面極化改變的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 它由于晶體受熱膨脹而引起正負離子相對位移，從而導(dǎo)它由于晶體受熱膨脹而引起正負離子相對位移，從而導(dǎo)致致晶體的總電矩發(fā)生改變，與壓電效應(yīng)相類似，致致晶體的總電矩發(fā)生改變，與壓電效應(yīng)相類似，具有對稱具有對稱中心的晶體不會具有熱釋電效應(yīng)中心的晶體不會具有熱釋電效應(yīng)。晶體在均勻受熱時的膨脹。晶體在均勻受熱時的膨脹（或均勻冷卻時的收縮）是在各個方向上同時發(fā)生的，并且（或均勻冷卻時的收縮）是在各個方向上同時發(fā)生的，并且在相互對稱的方向上必定具有相等的線膨脹系數(shù)值，換句話在相互對稱的方向

60、上必定具有相等的線膨脹系數(shù)值，換句話說，在這些方向上所引起的正負電荷重心的相對位移也都是說，在這些方向上所引起的正負電荷重心的相對位移也都是相等的。相等的。1. 1.線性介質(zhì)與非線性介質(zhì)線性介質(zhì)與非線性介質(zhì)1 1）線性介質(zhì)）線性介質(zhì)：有外電場時，介質(zhì)的極化強度與宏觀電場：有外電場時，介質(zhì)的極化強度與宏觀電場E E成正比，這類介質(zhì)又叫線性介質(zhì)。成正比，這類介質(zhì)又叫線性介質(zhì)。 P= P= o o e eE E 極化是介質(zhì)在外加電場中的性質(zhì)。沒有外加電場時，介極化是介質(zhì)在外加電場中的性質(zhì)。沒有外加電場時，介質(zhì)的極化強度等于零。質(zhì)的極化強度等于零。2 2）非線性介質(zhì)）非線性介質(zhì)：極化強度和外施電壓的關(guān)