4.2 材料的壓電性與鐵電性能

1、 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能 第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能 第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 第四節(jié) 影響材料壓電性及鐵電性的因素 第五節(jié) 壓電與鐵電性能的測(cè)量 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。 材料的壓電

2、性能與鐵電性能 壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電效應(yīng)的發(fā)展歷程壓電效應(yīng)(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于1880年在石英晶體上首先發(fā)現(xiàn)的。研究對(duì)稱晶體與壓電現(xiàn)象的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：在某一類(lèi)晶體中施加壓力會(huì)產(chǎn)生電性系統(tǒng)研究了施壓方向和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系壓電效應(yīng)(Piezoelectric effect) 材料的壓電性能與鐵電性能 具有壓電性的材料閃鋅礦(zincblende)鈉氯酸鹽(sodiumchlorate)電氣石(tourmaline)石英(quartz)酒石酸(tart

3、aricacid)蔗糖(canesuger)方硼石(boracite)異極礦(calamine)黃晶(topaz)若歇爾鹽(Rochellesalt)非晶方性結(jié)構(gòu)(anisotropic)晶方性(isotropic)結(jié)構(gòu)是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的各向異性結(jié)構(gòu) 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電效應(yīng)的應(yīng)用在居里兄弟發(fā)現(xiàn)“壓電效應(yīng)”后的三分之一個(gè)世紀(jì)中，壓電效應(yīng)在應(yīng)用上幾乎沒(méi)有受到任何重視；一戰(zhàn)：盟軍軍艦受到德軍潛艇的嚴(yán)重攻擊尋求新的有效探測(cè)潛艇的方法電磁波無(wú)法穿越海水聲波很容易在海里行進(jìn)繼承人：藍(lán)杰文(P.Langevin)利用石英的壓電效應(yīng)制成水下超聲探測(cè)器如今：聲納反潛海底通訊電話通訊醫(yī)學(xué)診斷：超聲波成

4、像術(shù)、全像攝影術(shù)、 計(jì)算機(jī)輔助聲波斷層攝影術(shù) 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理+-+未加應(yīng)力(1) 不具有自發(fā)極化特性，但為不對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，產(chǎn)生極化。+-+加應(yīng)力產(chǎn)生極化，正負(fù)電荷中心分開(kāi)加應(yīng)力不產(chǎn)生極化 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理(2) 含有對(duì)稱中心的結(jié)構(gòu)，加應(yīng)力不產(chǎn)生極化。+-未加應(yīng)力加應(yīng)力正負(fù)電荷中心不分開(kāi)，不產(chǎn)生極化-+- 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理定義：在沒(méi)有電場(chǎng)作用下，由機(jī)械應(yīng)力的作用使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)無(wú)對(duì)稱中心的異極晶體

5、應(yīng)變誘發(fā)出介電極化晶體兩端出現(xiàn)相反的束縛電荷應(yīng)力 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理這種沒(méi)有電場(chǎng)作用，由機(jī)械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象也稱為正壓電效應(yīng)。 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理NO.1在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷Q如圖12-1a所示，且其電位移D與外應(yīng)力張量T之間成正比：D=dT其具體表達(dá)式：式中：Dm電位移；Tj應(yīng)力；Sj應(yīng)變；dmj壓電應(yīng)變系數(shù)；emj壓電應(yīng)力系數(shù)；m

6、電學(xué)量的方向(=1，2，3); j力學(xué)量的方向(=1，2，3，4，5，6) 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理NO.2對(duì)具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場(chǎng)強(qiáng)度E呈正比：S=dE其具體表達(dá)式：這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能一、壓電效應(yīng)的基本原理+ + + + + + + + + + + + 極化方向釋放電荷正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)+ + + + + 極化方向+ + + + + + + + + + + + + 材料的壓電性能與鐵電性能 二、

7、壓電性能的主要參數(shù)1、介電常數(shù)對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)（或極化性質(zhì)）即：不同機(jī)械條件時(shí)，測(cè)得的介電常數(shù)不同。在機(jī)械自由條件下，稱為恒應(yīng)力介電常數(shù)或自由介電常數(shù)，以 表示在機(jī)械受夾條件下，則稱為受夾恒應(yīng)變介電常數(shù)或夾持介電常數(shù)，以 表示。 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)2、介質(zhì)損耗交變電場(chǎng)下，壓電體表面所積累的電荷有兩種分量：+ + + + + + + 一種為有功部分(或同相)Ic：另一種為無(wú)功部分(或異相)IR：由電導(dǎo)過(guò)程引起由介質(zhì)弛豫過(guò)程引起介質(zhì)損耗即為上述的異相分量與同相

8、分量的比值 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)2、介質(zhì)損耗-表征介電體在電場(chǎng)作用下，由發(fā)熱而導(dǎo)致的能量損耗，通常用tan表示，即式中：為交變電場(chǎng)的角頻率； C為介質(zhì)電容； R為損耗電阻；可見(jiàn)：tan與壓電體中能量損耗成正比，因此，也往往就把tan叫做損耗因子，或稱之為介質(zhì)損耗 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)2、介質(zhì)損耗即由偶極矩轉(zhuǎn)向時(shí)引起的，當(dāng)然也包括了電疇壁運(yùn)動(dòng)所消耗的能量。壓電體存在介質(zhì)損耗的原因：電導(dǎo)過(guò)程即壓電體輸送電流的過(guò)程。此過(guò)程在高溫和強(qiáng)電場(chǎng)的情況下尤為顯著極化弛豫過(guò)程 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)3、彈性系數(shù) 壓電材料的彈性常數(shù)

9、、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。剛度越大，固有振動(dòng)頻率越高。 壓電體是一個(gè)彈性體，它服從虎克定律，在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，當(dāng)數(shù)值為T(mén)的應(yīng)力加于壓電體上所產(chǎn)生的應(yīng)變S為：式中： s彈性柔順系數(shù)(m2/N)； c為彈性剛度系數(shù)(Pa). 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)4、壓電常數(shù) 是壓電體把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑虬央娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 反映壓電材料彈性性能與介電性能之間的耦合關(guān)系。 相關(guān)參數(shù)： 彈性系數(shù)：應(yīng)變S，應(yīng)力T 介電常數(shù)D 電場(chǎng)強(qiáng)度E 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要

10、參數(shù)5、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm-表征壓電體諧振時(shí)，因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量它定義為諧振時(shí)，壓電振子內(nèi)貯存的電能Ee與諧振時(shí)每個(gè)周期內(nèi)，振子消耗的機(jī)械能Em之比，即：反映壓電體振動(dòng)時(shí)因內(nèi)阻尼而消耗的能量的多少。 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)6、機(jī)電耦合系數(shù) 機(jī)電耦合系數(shù)K是表征壓電體的機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)，是衡量材料壓電性強(qiáng)弱的重要參數(shù)之一，應(yīng)用非常廣泛。 它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根。 這是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)6、機(jī)電耦合系數(shù)定義：壓電能密度

11、：機(jī)械能電能相互作用能機(jī)械(彈性)能密度介電能密度 K是一個(gè)量綱為1的物理量， Ume、Umm和Uee3個(gè)能量密度可通過(guò)壓電體的內(nèi)能求得 材料的壓電性能與鐵電性能 三、壓電性能的主要參數(shù)7、其他參數(shù)電阻: 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 居里點(diǎn)溫度: 它是指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。 材料的壓電性能與鐵電性能 表 常用壓電材料性能參數(shù) 具有壓電性的材料 材料的壓電性能與鐵電性能 單晶類(lèi): 石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3) 、鉭酸鋰 (LiTaO3)薄膜類(lèi): 氮化鋁(AlN) 、氧化鋅(ZnO)陶瓷類(lèi): 鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛 (PZT)聚合物: 聚

12、偏氟乙烯 PVDF 第一節(jié) 壓電性能四、壓電材料的應(yīng)用 材料的壓電性能與鐵電性能 各種壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)壓電單晶優(yōu)點(diǎn)：Q值較大，有良好的溫度特性。缺點(diǎn)：制作困難。陶瓷壓電材料優(yōu)點(diǎn)：抗酸堿，機(jī)械耦合系數(shù)高，易制成任意形狀。缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，需高壓極化處理(kV/mm)。高分子壓電材料優(yōu)點(diǎn)：低聲學(xué)阻抗特性，柔軟可做極薄的元件。缺點(diǎn)：壓電參數(shù)小，需極高的極化電場(chǎng)(MV/mm) 材料的壓電性能與鐵電性能 石英晶體 材料的壓電性能與鐵電性能 石英晶體 石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。右圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。 其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過(guò)六面

13、體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。 通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”， 而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 材料的壓電性能與鐵電性能 石英晶片圖6-2 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 材料的壓電性能與鐵電性能 若從晶體上沿y方向切下一塊如上圖（c）所示的晶片。當(dāng)沿電軸x方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷， 其大小為 Fx式中, d11為x方向受力的壓電系數(shù)。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy，

14、則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為 Fy式中：d12y軸方向受力的壓電系數(shù)電荷qx和qy的符號(hào)由受壓力還是受拉力決定。 材料的壓電性能與鐵電性能 石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。下圖是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。 圖中“+”代表硅離子Si4+， “-”代表氧離子O2-。 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 如圖（a）所示。 因?yàn)镻=ql, q為電荷量，l為正負(fù)電荷之間距離。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1

15、+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。 材料的壓電性能與鐵電性能 當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖（b）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量，由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。電偶極矩： 在x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷 在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷 材料的壓電性能與鐵電性能 當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體的變形如圖（c）所示。晶體沿y方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。與圖（b）情況相似，P1增大，P2、P3減小。電偶極子： 在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向

16、為正電荷。 在y軸方向上分量仍然為零，不出現(xiàn)電荷。 材料的壓電性能與鐵電性能 如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 材料的壓電性能與鐵電性能 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電陶瓷 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列， 它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點(diǎn)在300以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)（性能指標(biāo)見(jiàn)前面的表格）。 鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛、鋯酸鉛（

17、PbZrO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度， 而且能承受較高的壓力。 材料的壓電性能與鐵電性能 石英晶體與壓電陶瓷的比較石英晶體壓電陶瓷晶體類(lèi)型單晶體人工制造的多晶體極化方向X,Y軸Z軸對(duì)溫度的感應(yīng)介電和壓電常數(shù)溫度穩(wěn)定好靈敏度高 材料的壓電性能與鐵電性能 第一節(jié) 壓電性能四、壓電材料的應(yīng)用分為以下七大類(lèi)： 一、 壓電振蕩材料二、 壓電聲電元件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 三、 壓電超音波換能器： 超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測(cè)四、 信息處理元件：濾波器、諧振器、檢波器、監(jiān)頻器、表面聲波五、 動(dòng)力裝置：點(diǎn)火器

18、、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達(dá)、壓電變壓器六、 壓電感測(cè)器：速度、加速度計(jì)、角速度計(jì)、微位移器七、 光電元件： 光調(diào)節(jié)器、光調(diào)節(jié)閥、光電顯示、光資訊儲(chǔ)存、影象儲(chǔ)存和顯示四、壓電材料的應(yīng)用 靜壓力 電荷 直流電放電： 點(diǎn)火/打火器 聲 波 電荷 交流電信號(hào)： 麥克風(fēng)、聲納1）壓電效應(yīng)： 力 (T) 電 (D)靜壓力變壓力直流交流直流電 應(yīng)力 線性應(yīng) 變 ：微位移器，電鏡、精密機(jī)床；交流電 交 變 力 ： 機(jī)械振動(dòng)、聲波，超聲波清洗機(jī) 當(dāng)交流電頻率壓電陶瓷固有頻率，發(fā)生 諧振 機(jī)械振動(dòng)，此時(shí)，電力轉(zhuǎn)換效率高。 具有諧振性能的壓電材料是產(chǎn)生諧振的主要材料，可作為諧振換能器，標(biāo)準(zhǔn)頻率振子。2）逆壓

19、電效應(yīng)：電 (D) 力 (T)單向應(yīng)力/應(yīng)變振動(dòng)直流交流 材料的壓電性能與鐵電性能 高壓引線壓電陶瓷點(diǎn)火器墊塊外殼沖擊塊V 防水型 高效 高靈敏度 壓電天平式粉塵計(jì) 壓電剪切式加速度探頭 壓電超能傳感器 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電式傳感器 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電式傳感器壓電式腳踏報(bào)警器 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電式傳感器玻璃打碎報(bào)警裝置 材料的壓電性能與鐵電性能 壓電式傳感器交通監(jiān)測(cè) 材料的壓電性能與鐵電性能 第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能自發(fā)極化及其微觀機(jī)制：如果晶體中正負(fù)電荷中心不相重合，即每一個(gè)晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會(huì)沿同一方

20、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(chǎng)為零時(shí)自發(fā)產(chǎn)生的，因而稱為自發(fā)極化自發(fā)極化-在沒(méi)有外電場(chǎng)的作用時(shí)，晶體內(nèi)部某些區(qū)域的正、負(fù)電荷中心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)極化。 材料的壓電性能與鐵電性能 2.1熱釋電效應(yīng)及其產(chǎn)生條件晶體因溫度均勻變化而發(fā)生極化強(qiáng)度改變的現(xiàn)象稱為晶體的熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)研究表明:具有熱釋電效應(yīng)的晶體一定是具有自發(fā)極化(固有極化)的晶體因此：具有對(duì)稱中心的晶體不可能有熱釋電效應(yīng) 材料的壓電性能與鐵電性能 第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能2、晶體的熱釋電效應(yīng) 原因具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性壓電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，機(jī)械力引起的正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位

21、移在不同方向上一般是不等的；而晶體在均勻受熱時(shí)的膨脹卻在各方向同時(shí)發(fā)生并且在相互對(duì)稱的方向上必定具有相等的線膨脹系數(shù)也就是說(shuō)，在這些方向上所引起的正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位移也都是相等的 材料的壓電性能與鐵電性能 受熱前受熱后3個(gè)軸向方向上，正負(fù)電荷中心的位移程度是相同的。雖然每個(gè)軸向都有電矩變化，但正負(fù)電荷中心未位移，所以總電矩未變化，不顯示熱釋電性。 材料的壓電性能與鐵電性能 第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能2、晶體的熱釋電效應(yīng)2.2熱釋性能表征熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱可用熱釋電系數(shù)來(lái)表示。在溫度變化T的情況下，如果晶體自發(fā)極化強(qiáng)度改變了P，則P與T間的關(guān)系可用下式表示：熱釋電系數(shù) 材料的壓電性能與鐵電性能

22、2.3熱釋電材料利用熱釋電效應(yīng)可制成性能良好的紅外敏感元件熱釋電紅外傳感器 如：銀行自動(dòng)玻璃門(mén)或超市自動(dòng)玻璃門(mén)組成：光學(xué)系統(tǒng)(菲涅爾透鏡)熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理設(shè)備報(bào)警設(shè)備或開(kāi)關(guān)工作原理：當(dāng)人體輻射的紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)， 通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理，輸出高電平信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警或開(kāi)關(guān)。 材料的壓電性能與鐵電性能 2.3熱釋電材料盡管具有熱釋電效應(yīng)的材料種類(lèi)很多，但當(dāng)今實(shí)用化的材料僅有幾種鋯鈦酸鉛PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3單晶等。利用熱釋電材料制作的熱釋電探測(cè)器具有廣泛的應(yīng)用，如制作紅外成像傳感器、來(lái)客報(bào)知器、火災(zāi)報(bào)警器等在

23、工業(yè)上，可用于非接觸測(cè)量旋轉(zhuǎn)體和高溫體的溫度，以及進(jìn)行非破壞性檢測(cè)還可裝備在衛(wèi)星上監(jiān)測(cè)環(huán)境污染和進(jìn)行資源調(diào)查 材料的鐵電性能 材料的鐵電性能 鐵電體熱釋電體壓電體介電體邏輯關(guān)系！ 鐵電、熱釋電、壓電、介電晶體之間的關(guān)系三方32點(diǎn)群無(wú)對(duì)稱中心唯一單向極軸 大量實(shí)驗(yàn)表明，描述鐵電體的物理性質(zhì)(如極化強(qiáng)度、熱釋電系數(shù)、和壓電常數(shù)等)與外電場(chǎng)間表現(xiàn)為滯后回線關(guān)系。其中，極化強(qiáng)度P與外電場(chǎng)E之間的滯后關(guān)系曲線就是電滯回線(ferroelectric hysteresis)，類(lèi)似于鐵磁體的磁滯回線。 材料的鐵電性能 鐵電體的共同特性為： 具有電滯回線； 具有結(jié)構(gòu)相變溫度，即居里點(diǎn)； 具有臨界特性3.1 鐵

24、電體的特性 材料的鐵電性能 電滯回線自發(fā)極化僅僅是晶體具有鐵電性的必要條件，鐵電體的重要特征之一是具有電滯回線以單晶體為例如何理解？假定：自發(fā)極化的取向只有兩向：正和負(fù)當(dāng)外電場(chǎng)為零時(shí)，晶體中相鄰電疇的極化方向相反，晶體的總電矩為零當(dāng)施加逐漸增加的外電場(chǎng)時(shí)，反向電疇反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致反向電疇體積變小，同向電疇體積變大當(dāng)電場(chǎng)增大到足夠使晶體中所有反向電疇均反轉(zhuǎn)到外場(chǎng)方向時(shí)，晶體變成單疇體，晶體的極化達(dá)到飽和此后電場(chǎng)再增加，與一般電介質(zhì)的極化相同，極化強(qiáng)度將隨電場(chǎng)線性增加，并達(dá)到最大值Pmax。當(dāng)電場(chǎng)從圖中C處開(kāi)始減小時(shí)，極化強(qiáng)度將沿CB曲線逐漸下降電場(chǎng)減至零時(shí)，極化強(qiáng)度下降到某一數(shù)值Pr，Pr稱為鐵電體的

25、剩余極化強(qiáng)度。改變電場(chǎng)方向，并沿負(fù)方向增加到Ec時(shí)，極化強(qiáng)度下降至零。反向電場(chǎng)再繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度反向，Ec就稱為鐵電體的矯頑場(chǎng)強(qiáng)。隨著反向電場(chǎng)的繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度沿負(fù)方向繼續(xù)增加，并達(dá)到負(fù)方向的飽和值(-Ps)，整個(gè)晶體變?yōu)榫哂胸?fù)向極化的單疇晶體，當(dāng)電場(chǎng)由高的負(fù)值連續(xù)變化到高的正值時(shí)，正方向電疇又開(kāi)始形成并生長(zhǎng)，直至整個(gè)晶體再一次變成具有正向極化的單疇晶體，極化強(qiáng)度沿回線的FGH回到C點(diǎn)?；鼐€包圍的面積就是極化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)兩次所需的能量。 材料的鐵電性能 電滯回線重要的參數(shù)電場(chǎng)等于零時(shí)的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps使極化反轉(zhuǎn)的嬌頑電場(chǎng)強(qiáng)度Ec得出結(jié)論： 鐵電體的典型PE電滯回線表明，鐵電體的極化強(qiáng)度P與外加

26、電場(chǎng)E之間呈非線性關(guān)系，且極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)反向而反向。極化強(qiáng)度的反向源于鐵電體內(nèi)部存在的電疇反轉(zhuǎn)。 材料的鐵電性能 電滯回線電滯回線的影響因素：1、極化溫度對(duì)電滯回線的影響：極化溫度的高低影響到電疇運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的難易。矯頑場(chǎng)強(qiáng)和飽和場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而降低。極化溫度較高，可以在較低的極化電壓下達(dá)到同樣的效果，其電滯回線形狀比較瘦長(zhǎng)。2、環(huán)境溫度對(duì)電滯回線的影響：環(huán)境溫度的變化對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)有影響，從而使內(nèi)部自發(fā)極化發(fā)生改變，尤其是在相界處(晶型轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn))更為顯著。例如，BaTiO3在居里溫度附近，電滯回線逐漸閉合為一條直線(鐵電性消失)。3、極化時(shí)間對(duì)電滯回線的影響：電疇轉(zhuǎn)向需要一定的時(shí)間，時(shí)間

27、適當(dāng)長(zhǎng)一點(diǎn)，極化可以充分些，即電疇定向排列完全一些。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度E作用下，極化時(shí)間長(zhǎng)的，具有較高的極化強(qiáng)度，也具有較高的剩余極化強(qiáng)度。 4、極化電壓對(duì)電滯回線的影響：極化電壓加大，電疇轉(zhuǎn)向程度高，剩余極化變大。5、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)電滯回線的影響：同一種材料，單晶體和多晶體的電滯回線是不同的。下圖反映了BaTiO3單晶和陶瓷電滯回線的差異。單晶體的電滯回線很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr較高；陶瓷的電滯回線中Ps與Pr相差較多，表明陶瓷多晶體不易成為單疇，即不易定向排列。 材料的鐵電性能 電滯回線電滯回線的影響因素： 材料的鐵電性能 居里溫度由熱力學(xué)定律可知，壓電晶體的Gibbs

28、自由能可表達(dá)為:式中：G為Gibbs自由能；U為內(nèi)能；T為絕對(duì)溫度；S為熵；Ti為應(yīng)力； Si為應(yīng)變；Ei為電場(chǎng)強(qiáng)度；Pi為極化強(qiáng)度若不施加應(yīng)力時(shí)，則有：與配位數(shù)間的關(guān)系為顯然，鐵電體中全部偶極子沿E向定向時(shí)，配位數(shù)減小，因而熵S減小，造成Gibbs自由能G增大。當(dāng)溫度低時(shí)，熵S減小也使自由能G增大，產(chǎn)生了自發(fā)極化溫度達(dá)到某一溫度以上時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，偶極子從電場(chǎng)的束縛中解放出來(lái)，使自由能G下降，這個(gè)臨界溫度就是居里溫度Tc 材料的鐵電性能 居里溫度居里溫度Tc非鐵電相或順電相Tc，無(wú)自發(fā)極化，不具鐵電性鐵電相Tc，無(wú)自發(fā)極化，不具鐵電性鐵電相Tc，有自發(fā)極化，具鐵電性當(dāng)晶體存在兩個(gè)或多個(gè)

29、鐵電相時(shí)，只有順電鐵電相變溫度才稱為居里點(diǎn)晶體從一個(gè)鐵電相到另一個(gè)鐵電相的轉(zhuǎn)變溫度稱為相變溫度或過(guò)渡溫度。 第五節(jié) 壓電與鐵電性能的測(cè)量 材料的壓電性能與鐵電性能 1、鐵電和熱釋電參數(shù)的測(cè)量 b、居里溫度Tc的測(cè)試測(cè)試方法： (1)自動(dòng)導(dǎo)納測(cè)量?jī)x法 (2)相變儀測(cè)量法 (3)傳輸線測(cè)量法 (4)電滯回線突變法 材料的壓電性能與鐵電性能 注釋：導(dǎo)納導(dǎo)納是阻抗的倒數(shù) 在直流電中，物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻電阻感抗容抗在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用。常用Z表示。阻抗但不是三者簡(jiǎn)單相加 自動(dòng)導(dǎo)納測(cè)量?jī)x法 原理： 材料的壓電性能與鐵電性能 在頻率一定的情況下，測(cè)量電納隨溫度的變

30、化情況就能得到介電常數(shù)隨溫度T的變化，從而找到介電常數(shù)突變點(diǎn)，以此確定居里溫度。 步驟： 薄片試樣兩平面覆蓋電極，不進(jìn)行極化處理； 至于爐膛內(nèi)，用熱電偶顯示試樣溫度； 連接電路，調(diào)節(jié)自動(dòng)導(dǎo)納測(cè)量?jī)x的頻率至一定值，并維持； 升溫，在XY函數(shù)記錄儀上讀出電納隨溫度變化的曲線，突變點(diǎn)即為材料的居里溫度。 若曲線中出現(xiàn)多個(gè)峰值，它們對(duì)應(yīng)的溫度為相變溫度，最高點(diǎn)才為居里溫度 第五節(jié) 壓電與鐵電性能的測(cè)量 材料的壓電性能與鐵電性能 1、鐵電和熱釋電參數(shù)的測(cè)量 c、熱釋電系數(shù)的測(cè)試熱釋電系數(shù)與晶體所處狀態(tài)有關(guān)當(dāng)晶體處于夾持狀態(tài)時(shí)晶體受熱其尺寸和形狀不變p=ps(恒應(yīng)變熱釋電系數(shù)或 一級(jí)熱釋電系數(shù))當(dāng)晶體處于自由狀態(tài)時(shí)晶體可以自由膨脹和收縮p=pt(恒應(yīng)力熱釋電系數(shù))當(dāng)晶體處于恒應(yīng)力狀態(tài)由溫度所引起的形變通過(guò)正壓電效應(yīng)使晶體產(chǎn)生附加的極化改變二級(jí)熱釋電系數(shù)p 測(cè)試方法： (1)靜態(tài)法 (2)動(dòng)態(tài)法 (3)積分電荷法第五節(jié) 壓電與鐵電性能的測(cè)量 材料的壓電性能與鐵電性能 1、鐵電和熱釋電參數(shù)的測(cè)量 c、熱釋電系數(shù)的測(cè)試 材料的壓電性能與鐵電性能 c、熱釋電系數(shù)的測(cè)試積分電荷法 原理：通過(guò)測(cè)量在電容器上積累的熱釋電電荷，測(cè)定剩余極化隨溫度的變化。 步驟： 接好電路，加溫；