《材料性能學(xué)》課件-第12-1材料的壓電性能與鐵電性能

材料性能學(xué)第十二章材料的壓電性能與鐵電性能壓電效應(yīng)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(yīng)用第一節(jié)壓電性能壓電效應(yīng)壓電性的定義:壓電性是指某些晶體材料按所施加的機(jī)械應(yīng)力成比例地產(chǎn)生電荷的能力。壓電效應(yīng)對(duì)壓電晶體在一定方向上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，在其兩端表面上會(huì)出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷；作用力相反時(shí)，表面荷電性質(zhì)亦反號(hào)，而且在一定范圍內(nèi)電荷密度與作用力成正比，稱為正壓電效應(yīng)反之，在一定方向的電場(chǎng)作用下，則會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，稱為逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng):壓電效應(yīng)晶體壓電效應(yīng)的本質(zhì)：因?yàn)闄C(jī)械作用（應(yīng)力與應(yīng)變）引起了晶體介質(zhì)的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖（a）（b）（c）-------+++-----++---+壓電性能的主要參數(shù)(自學(xué))介電常數(shù)介質(zhì)損耗彈性系數(shù)壓電常數(shù)機(jī)械品質(zhì)因素機(jī)電耦合系數(shù)壓電材料及其應(yīng)用上世紀(jì)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(gè)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(yīng)用用于電聲器件中的揚(yáng)聲器、送話器、拾聲器等；用于水下通訊和探測(cè)的水聲換能器和魚(yú)群探測(cè)器等；用于雷達(dá)中的陶瓷表面波器件；用于導(dǎo)航中的壓電加速度計(jì)和壓電陀螺等；用于通訊設(shè)備中的陶瓷濾波器、陶瓷鑒頻器等；應(yīng)用用于精密測(cè)量中的陶瓷壓力計(jì)、壓電流量計(jì)、壓電厚度計(jì)等；用于紅外技術(shù)中的陶瓷紅外熱電探測(cè)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(jī)制

在晶體中，如果晶胞中正負(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。具有自發(fā)極化的晶體必然是個(gè)帶電體，其電場(chǎng)強(qiáng)度取決于自發(fā)極化強(qiáng)度。

因?yàn)樽园l(fā)極化建立的電場(chǎng)吸引了晶體內(nèi)部和外部空間的異號(hào)自由電荷，在晶體表面形成一個(gè)表面電荷層，結(jié)果自發(fā)極化建立的表面束縛電荷被吸引來(lái)的表面自由電荷所屏蔽．但是，改變溫度或者施加應(yīng)力產(chǎn)生變形時(shí)，由于離子間距和鍵角發(fā)生變化，自發(fā)極化強(qiáng)度Ps也將發(fā)生變化。這時(shí)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(fù)自由而釋放出來(lái)，使晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流。這就是熱釋電效應(yīng)和壓電效應(yīng)．

為什么用實(shí)驗(yàn)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(yīng)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)對(duì)熱釋電晶體絕熱施加電場(chǎng)時(shí)，其溫度將發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為逆熱釋電效應(yīng)或電生熱效應(yīng)．

產(chǎn)生條件：具有自發(fā)極化(固有極化)的晶體晶體結(jié)構(gòu)的極軸與結(jié)晶學(xué)的單向重合具有對(duì)稱中心的具有壓電性的晶體不可能有熱釋電效應(yīng)。2．熱釋電性能表征

熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱可用熱釋電系數(shù)來(lái)表示．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(lèi)當(dāng)晶體處于夾持狀態(tài)時(shí)，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(yīng)變熱釋電系數(shù)或一級(jí)熱釋電系數(shù)pS．當(dāng)晶體處于自由狀態(tài)時(shí)，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(yīng)力熱釋電系數(shù)pT．當(dāng)晶體處于恒應(yīng)力狀態(tài)時(shí)．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．一般將這種由于正壓電效應(yīng)對(duì)熱釋電系數(shù)的貢獻(xiàn)稱為二級(jí)熱釋電系數(shù)p′恒應(yīng)力熱釋電系數(shù)等于一級(jí)熱釋電系數(shù)和二級(jí)熱釋電系數(shù)之和，即

利用熱釋電效應(yīng)可制成性能良好的紅外敏感元件．其對(duì)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(duì)應(yīng)大的溫度上升幅度，熱釋電材料體比熱應(yīng)小，且方便加工成微型或薄膜化元件；③跟溫度對(duì)應(yīng)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(dāng)高時(shí)，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(yīng)的電容小，即材料的介電量?。虎輼?gòu)成噪聲源之一的介電損耗角正切tanδ?。疅後岆姴牧系膽?yīng)用紅外成像傳感器、來(lái)客報(bào)知器、火災(zāi)報(bào)警器等.在工業(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．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(diǎn)群的晶體不但在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，在不超過(guò)晶體擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下，其取向可以隨電場(chǎng)改變，這種特性稱為鐵電性，具有這種性質(zhì)的晶體稱為鐵電體。鐵電體的特性電滯回線居里點(diǎn)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(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的宏觀描述反鐵電體一般宏觀無(wú)剩余極化強(qiáng)度，但在很強(qiáng)的外電場(chǎng)作用下，可以誘導(dǎo)成鐵電相，其P－E呈雙電滯回線。居里溫度

由熱力學(xué)定律可知，壓電晶體的Gibbs自由能可表達(dá)為G=U-TS-TiSi-EiPi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

G＝U-TS-PE而熵S與配位數(shù)ω間的關(guān)系為

S＝K1nω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．在溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)以下，由于存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相．當(dāng)晶體存在兩個(gè)或多個(gè)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．順電相

鐵電相

臨界特性晶體在相變點(diǎn)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(diǎn)．鐵電疇鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個(gè)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(gè)晶格常數(shù)的量級(jí)。鐵磁疇壁則很厚，可達(dá)到幾百個(gè)晶格常數(shù)的量級(jí)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(zhì)的差別:電疇“轉(zhuǎn)向”

鐵電疇在外電場(chǎng)作用下，總是要趨向于與外電場(chǎng)方向一致。這形象地稱作電疇“轉(zhuǎn)向”。實(shí)際上電疇運(yùn)動(dòng)是通過(guò)在外電場(chǎng)作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展以及疇壁的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3．鐵電體的電致伸縮效應(yīng)

電致伸縮效應(yīng)是指介電體在電場(chǎng)作用下，由誘導(dǎo)極化而引起的形變．極化強(qiáng)度恒定時(shí)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(guān)系

圖12-13鐵電、熱釋電和壓電晶體間的相互關(guān)系第三節(jié)鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用一、電控雙折射效應(yīng)對(duì)于極化后的細(xì)晶(晶粒大小約l~2μm)透明鐵電陶瓷，其光學(xué)性質(zhì)與單軸晶的光學(xué)性質(zhì)相似，光軸方向?yàn)闃O化軸方向．當(dāng)一束光斜交于陶瓷極化軸方向傳播時(shí)，與光在單軸晶中的傳播一樣，會(huì)產(chǎn)生雙折射．光束會(huì)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(fù)單軸晶，Δn＜0，且Δn與陶瓷的剩余極化強(qiáng)度Pr有關(guān)，也與外加電場(chǎng)E有關(guān)，用Δn(Pr，E)表示．因此，細(xì)晶透明鐵電陶瓷的有效雙折射率可以通過(guò)改變剩余極化強(qiáng)度Pr和外加電場(chǎng)E進(jìn)行控制，此即電控雙折射效應(yīng)．圖12-14電光晶體電光調(diào)制原理圖

二、電控光散射效應(yīng)

當(dāng)施加外電場(chǎng)改變陶瓷極化軸取向時(shí)，就可以改變散射光強(qiáng)度的角分布，這就是電控光散射效應(yīng)．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(duì)光強(qiáng)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(yīng)用圖12-199／65／35PLZT陶瓷的光過(guò)率和紅外透過(guò)率圖12-20電滯回線及其典型光輸出響應(yīng)（a）二次雙折射(b)二次去極化(c)線性記憶雙折射(d)開(kāi)關(guān)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(xué)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(guān)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(guān)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(yīng)所夾持，因而不能在外場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)電疇反轉(zhuǎn)．在中等尺寸的晶粒中電疇反轉(zhuǎn)成為可能，但是因?yàn)閼?yīng)力和電場(chǎng)的不均勻分布，使相變展寬到一個(gè)大的溫度范圍，而且峰值介電常數(shù)也被壓低．最后，在達(dá)到最大晶粒時(shí)，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(yù)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(yīng)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(chǎng)的作用下重新取向，通過(guò)外加直流電場(chǎng)的極化處理，各個(gè)晶粒的自發(fā)極化軸沿著外場(chǎng)方向取向，原來(lái)相互抵消的各個(gè)晶粒本身所固有的壓電效應(yīng)便對(duì)外呈現(xiàn)出宏觀的剩余極化．這樣，對(duì)燒結(jié)后的鐵電陶瓷在一定條件下(即一定溫度和時(shí)間)施加強(qiáng)直流電場(chǎng)后，將在電場(chǎng)方向顯示出一定的凈極化強(qiáng)度，燒結(jié)后的鐵電陶瓷將由各向