無機材料介電性能

無機材料介電性能第1頁/共50頁一、鐵電體1、基本概念線性（非線性）介質：有外加電場時，介質的極化強度與宏觀電場的關系是線性（非線性）的，稱為線性（非線性）介質。自發(fā)極化：在無外電場作用的時候，晶體的正負電荷中心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩的現(xiàn)象稱為自發(fā)極化。通常將晶胞里存在固有電偶極矩的晶體稱為極性晶體。第2頁/共50頁鐵電體：在一定溫度范圍內具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向能隨外場作可逆轉動的晶體稱為鐵電體。鐵電性：材料在一定溫度范圍內具有自發(fā)極化，且其自發(fā)極化可以因外電場作用而轉向，材料的這種特性稱為鐵電性。鐵電體一定是極性晶體，但并非所有極性晶體都具有鐵電性！第3頁/共50頁因鐵電體介電常數(shù)值特別的高，也稱為“強介材料”或“強介體”鐵電體的標識性特征是其電極化與外電場的關系表現(xiàn)為電滯回線！鐵電材料的電滯回線第4頁/共50頁2、鐵電體的基本特征（1）鐵電體的基本特征：鐵電材料在電極化中存在電滯回線；晶體中存在電疇形式的微結構；在外加電場下，晶體中的電偶極矩可轉變方向；存在居里溫度Tc(常稱居里點)。第5頁/共50頁（2）居里溫度Tc當T>Tc時，材料由鐵電相轉變?yōu)轫橂娤?，極化時電滯回線特性消失。此時，P與E一般呈現(xiàn)線性關系，介電常數(shù)隨溫度的變化服從居里-外斯定律：式中C為居里-外斯常數(shù)，T0為居里-外斯溫度。對連續(xù)相變，T0=Tc；對一級相變，T0<Tc。第6頁/共50頁知識回顧：鈣鈦礦結構鈣鈦礦結構perovskitestructure

具有鈣鈦礦結構的鐵電、壓電陶瓷屬于ABO3型,其中A為一價或二價金屬離子，而B為四價或五價金屬。半徑較小的B正離子位于氧八面體中心，半徑較大的A正離子和氧離子分別位于頂角、面心。這種結構也可看成是一組BO6八面體按簡立方圖樣排列而成，各氧八面體由公有的氧離子聯(lián)結，A正離子占據(jù)氧八面體之間的空隙。鈣鈦礦原胞是立方的，也可畸變成具有三角和四方對稱性。

鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛和KxNa1-xNbO3等鐵電壓電陶瓷具有鈣鈦礦結構。第7頁/共50頁二、鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機理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平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)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，同時晶體結構發(fā)生了畸變。鈦酸鋇自發(fā)極化的機制與其晶體結構密切相關！第8頁/共50頁BaTiO3單晶的介電常數(shù)與溫度的關系BaTiO3晶體在溫度變化過程中由于晶體結構的變化，介電系數(shù)也隨著變化，在相變溫度點出現(xiàn)介電系數(shù)的躍遷。這是由于在這些溫度上產生了結構的變化。

第9頁/共50頁三、鐵電疇鐵電體的自發(fā)極化被電場重新定向后，晶體內部會產生退極化場，電耦極矩在退極化電場的作用下形成退極化能。為降低系統(tǒng)的能量，晶體內就會分裂出一系列自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，使其各自所建立的退極化電場互相補償，直到整個晶體對內、對外均不呈現(xiàn)電場為止。由自發(fā)極化方向相同的晶胞所組成的小區(qū)域便稱為電疇，分隔相鄰電疇的界面稱為疇壁。第10頁/共50頁A-A：180°疇壁B-B：90°疇壁

鐵電體中電疇是不能在空間任意取向的，只能沿著晶體的某幾個特定晶向取向，取決于該種鐵電體原型結構的對稱性。第11頁/共50頁TEMobservationofdomainsinBaTiO3ceramics鈮酸鉀晶體中的電疇在外電場作用下，鐵電疇總是要趨于與外電場方向一致，這稱為電疇的“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，而且由于轉向時引起較大內應力，這種轉向不穩(wěn)定。第12頁/共50頁四、電滯回線的形成1、電滯回線是鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述。飽和極化強度Ps（自發(fā)極化強度）剩余極化強度Pr矯頑電場強度Ec第13頁/共50頁2、電滯回線的影響因素：

極化溫度：極化溫度的高低影響到電疇運動和轉向的難易。矯頑場強和飽和場強隨溫度升高而降低。極化溫度較高，可以在較低的極化電壓下達到同樣的效果，其電滯回線形狀比較瘦長。環(huán)境溫度：環(huán)境溫度的變化對材料的晶體結構有影響，從而使內部自發(fā)極化發(fā)生改變，尤其是在相變處（晶型轉變溫度點）更為顯著。例如，BaTiO3在居里溫度附近，電滯回線逐漸閉合為一直線（鐵電性消失）。第14頁/共50頁極化時間：電疇轉向需要一定的時間，時間適當長一點，極化就可以充分些，即電疇定向排列更完全。實驗表明，在相同的電場強度E作用下，極化時間長的，具有較高的極化強度，也具有較高的剩余極化強度。極化電壓：極化電壓加大，電疇轉向程度高，剩余極化強度變大。第15頁/共50頁晶體結構：同一種材料，單晶體和多晶體的電滯回線是不同的。右圖反映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。第16頁/共50頁1、介電特性

BaTiO3一類的鈣鐵礦型鐵電體具有很高的介電常數(shù)，可以用來制造小體積大容量的陶瓷電容器。為了提高室溫下材料的介電常數(shù)，可添加其他鈣鐵礦型鐵電體形成固溶體。五、鐵電體的性能及其應用第17頁/共50頁在實際生產中需要解決調整居里點和居里點處介電常數(shù)的峰值問題，這就是所謂“移峰效應”和“壓峰效應”?！耙品逍保涸阼F電體中引入某種添加物生成固溶體，改變原來的晶胞參數(shù)和離子間的相互聯(lián)系，使居里點向低溫或高溫方向移動?！皦悍逍保簽榱私档途永稂c處的介電常數(shù)的峰值，即降低非線性。第18頁/共50頁第19頁/共50頁壓電性：某些介質在機械力作用下發(fā)生電極化或電極化的變化，這樣的性質稱為壓電性。具有壓電性的介質稱為壓電體。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。6.5壓電性第20頁/共50頁一、壓電效應1、基本概念

正壓電效應：一些電介質，在受到一定方向的外力作用而變形時，內部產生極化現(xiàn)象，與外力方向垂直的兩端面出現(xiàn)等量反號的束縛電荷，當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)。這種將機械能轉換成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應。逆壓電效應：在壓電體的適當方向上施加外電場會導致壓電體發(fā)生應變，將電能轉換為機械能，稱為逆壓電效應，也叫電致伸縮效應。第21頁/共50頁逆壓電效應電能機械能正壓電效應第22頁/共50頁2、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第23頁/共50頁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厚度切變振動沿軸向振動二、壓電振子及其重要參數(shù)1、壓電振子壓電振子是最基本的壓電元件，是被覆激勵電極的壓電體。第24頁/共50頁伸縮振動：極化方向與電場方向平行時產生的振動，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生的振動，包括平面切變振動、厚度切變振動。縱向效應：彈性波傳播方向與極化軸平行。橫向效應：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，產生的振動，包括厚度彎曲和橫向彎曲。第25頁/共50頁用壓電材料制作濾器、諧振換能器和標準頻率振子等器件，主要是利用振子的諧振效應。諧振產生過程：當對一個按一定取向和形狀制成的有電極的壓電體輸入電訊號時，如果訊號頻率與壓電體的機械諧振頻率fr一致，就會使壓電體由于逆壓電效應而產生機械諧振，而壓電體的機械諧振又可以由于正壓電效應而輸出電訊號。第26頁/共50頁2、機械品質因數(shù)Qm用來描述壓電振子在諧振時的能量損耗。壓電振子諧振時，要克服內摩擦而消耗能量，造成機械損耗，Qm就是用來描述這種損耗的，它的定義是

Qm的值越大，說明機械損耗越小，材料的品質越好。

諧振時振子儲存的機械能量Qm=2π———————————————————————

諧振每周振子損耗的機械能量第27頁/共50頁3、機電耦合系數(shù)K表征壓電材料的機械能與電能之間的耦合關系，定義為：由于壓電振子的機械能與振子的形狀和振動模式有關，因此對不同的模式有不同的耦合系數(shù)。機電偶合系數(shù)越大越好。儲入的機械能總量通過壓電效應轉換的電能K2=———————————————通過逆壓電效應轉換的機械能儲入的電能總量K2=———————————————第28頁/共50頁三、壓電性與晶體結構1、晶體的對稱性和壓電效應

從晶體結構上分析，只要結構沒有對稱中心，就有可能產生壓電效應。并不是沒有對稱中心的晶體一定具有壓電性，因為壓電體首先必須是電介質(或至少具有半導體性質)。同時其結構必須有帶正、負電荷的質點—離子或離子團存在。第29頁/共50頁具有對稱中心的晶體結構

具有對稱中心的晶體都不具有壓電效應。因其內部均勻變形，正、負電荷重心重合，不產生電極化，不具備壓電效應。第30頁/共50頁無對稱中心的晶體結構

不具備對稱中心的晶體，其質點排列不對稱，在應力作用下，質點就受到不對稱的內應力，產生不對稱的相對位移，結果形成新的電矩，呈現(xiàn)壓電效應。第31頁/共50頁2、熱電性（熱釋電效應）熱釋電效應：由于溫度的變化，熱釋電晶體和壓電陶瓷等會出現(xiàn)結構上的電荷中心相對位移，使它們的自發(fā)極化強度發(fā)生變化，從而在它們的兩端產生異號的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。具有這種性質的材料稱為熱釋電體。同壓電晶體一樣，產生熱釋電效應的前提是自發(fā)式極化，但壓電晶體不一定具有熱釋電效應，而熱釋電晶體則一定存在壓電效應。第32頁/共50頁鐵電體熱電體壓電體電介體電介質、壓電體、熱電體和鐵電體的關系

熱釋電體主要應用于紅外探測技術領域，還可用于非接觸測溫、火車熱軸探測、森林防火和無損探傷等方面。第33頁/共50頁四、壓電陶瓷的預極化及其性能穩(wěn)定性1.壓電陶瓷的預極化雖然具有壓電效應的壓電晶體很多，但是成為陶瓷材料以后，往往不呈現(xiàn)出壓電性能：因為陶瓷是一種多晶體，由于其中各細小晶體的紊亂取向，因而各晶粒間壓電效應會互相抵消，宏觀不呈現(xiàn)壓電效應。

第34頁/共50頁鐵電陶瓷中雖存在自發(fā)極化，但各晶粒間自發(fā)極化方向雜亂，因此宏觀無極性。若將鐵電陶瓷預先經(jīng)強直流電場作用，使各晶粒的自發(fā)極化方向都擇優(yōu)取向成為有規(guī)則的排列（人工極化），當直流電場去除后，陶瓷內仍能保留相當?shù)氖Ｓ鄻O化強度，則陶瓷材料宏觀具有極性，也就具有了壓電性能。因此鐵電陶瓷經(jīng)過預先極化處理，就會具有壓電性。只有經(jīng)過預先極化處理，陶瓷才會顯示壓電效應！第35頁/共50頁2.影響極化的因素：極化電場、極化溫度、極化時間

極化電場：是極化諸條件中的主要因素。極化電場越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。極化溫度：在極化電場和時間一定的條件下，極化溫度高，電疇取向排列較易，極化效果好。極化時間：極化時間長，電疇取向排列的程度高，極化效果較好。極化初期主要是180電疇的反轉，以后的變化是90電疇的轉向。90°電疇轉向由于內應力的阻礙而較難進行，因而適當延長極化時間，可提高極化程度。第36頁/共50頁3.壓電陶瓷的穩(wěn)定性壓電陶瓷性能的時間穩(wěn)定性，稱為材料的老化或經(jīng)時老化。極化后，在內應力作用下，已轉向的90o疇有部分復原而釋放應力。但尚有一定數(shù)量的剩余應力，電疇在剩余應力作用下，隨時間的延長復原部分逐漸增多，因此剩余極化強度不斷下降，壓電性減弱。第37頁/共50頁壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性：主要與晶體結構特性有關。改善溫度穩(wěn)定性主要通過改變配方成分和添加物，使材料結構隨溫度變化減小到最低限度。例如，一般不取在相界附近的組成，對于PZT瓷，其Zr與Ti的比值取在偏離相界的四方相側，使結構穩(wěn)定。第38頁/共50頁五、壓電陶瓷及其應用第39頁/共50頁壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結而成的，壓電系數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低，最高只有70℃，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。第40頁/共50頁目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列），是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb(ZrxTi1-x)O3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。鈮鎂酸鉛是20世紀60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。由鈮鎂酸鉛(Pb（Mg·Nb）O3)、鋯酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛(PbTiO3)按不同比例配成的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。第41頁/共50頁第42頁/共50頁壓電材料的應用—壓電傳感器

壓電傳感器

通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。第43頁/共50頁第44頁/共50頁壓電陶瓷微位移器

壓電陶瓷微位移器是由多層壓電陶瓷薄片，經(jīng)過多層疊層技術制成的固態(tài)移動器，它能直接將電能轉換成動能（機械位移）。

壓電陶瓷微位移器應用范圍很廣，大多數(shù)應用在高技術領域，如激光腔調諧、光纖光學定位、自適應光學、生物工程細胞穿制、精密微定位、攝影和攝像器材快門控制、光纖熔接機等。

微位移器使用過程的主要優(yōu)點為：位移控制精度高，電源精度1%時，分辨率可達納米級。

比如10×5×30mm的微位移器工作電壓在0—200VDC范圍內，最大位移量為20um，推力≥100N，拉力≤10N,工作溫度，-20---85℃。第45頁/共50頁壓電陶瓷變壓器原理：利用