材料科學(xué)與技術(shù)第18課

第五章功能材料第一節(jié)絕緣陶瓷（材料）主要兩個(gè)使用方面：屬于一般電介質(zhì)材料在電力工程上：電絕緣、絕緣支撐件（如絕緣子）要求不僅電絕緣性好、導(dǎo)熱性或傳熱性也好在微電子領(lǐng)域：電路極板和電子元器件的封裝或一般電容器中的介質(zhì)功能電介質(zhì)在電子工程、機(jī)電轉(zhuǎn)換、光學(xué)、紅外探測(cè)等中發(fā)揮獨(dú)特的作用特殊性質(zhì)：強(qiáng)介電性、壓電性、鐵電性或熱釋電性等具有特殊性質(zhì)的陶瓷電介質(zhì)材料：真正意義上的功能電介質(zhì)將要學(xué)習(xí)的陶瓷材料在具體介紹這些材料之前，為了使大家一開始就對(duì)它們的區(qū)別與聯(lián)系有清醒的認(rèn)識(shí)，我們首先來回顧和補(bǔ)充材料的介電、鐵電、壓電性，然后再介紹材料的熱釋電性，最后給出它們的區(qū)別與聯(lián)系第二節(jié)介電、鐵電、壓電、熱釋電性概述第二節(jié)介電、鐵電、壓電、熱釋電性概述一、材料的介電性回顧材料在電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出的對(duì)靜電能的儲(chǔ)存和損耗的性質(zhì)平行板電容器電場(chǎng)的能量：(1)材料具有的部分（或全部）隔斷電場(chǎng)的性質(zhì)平行板電容器中場(chǎng)強(qiáng)：真空：電介質(zhì)：(2)什么是材料的介電性？金屬在外電場(chǎng)中達(dá)到靜電平衡時(shí)，其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零－完全阻斷電場(chǎng)金屬的介電性最強(qiáng)：金屬的介電性是來源于自由電子在電場(chǎng)作用下的位移或極化所引起的屏蔽效應(yīng)基本上不涉及束縛電荷，不把金屬的介電性列入電介質(zhì)物理研究的范疇電介質(zhì)：絕緣材料極化后只能部分減弱其內(nèi)的電場(chǎng)正負(fù)電荷在電場(chǎng)作用下的分極電介質(zhì)介電性或極化的本質(zhì)？電介質(zhì)極化幾種機(jī)制：偶極分子的取向極化（1）分子極化：電子位移極化、離子位移極化、（2）電子或離子弛豫極化（3）空間電荷極化電子位移極化：所有由分子或原子組成的物質(zhì)離子位移極化：由離子鍵結(jié)合的物質(zhì)偶極分子的取向極化：有極分子電介質(zhì)電子或離子弛豫極化：內(nèi)部含有弱束縛的電子或離子的電介質(zhì)空間電荷極化：內(nèi)部含有過剩電荷的電介質(zhì)各種極化機(jī)制的對(duì)象？明確點(diǎn)：（1）極化是過程、需要時(shí)間、需克服阻力（耗能）（2）不同機(jī)制極化的極化建立時(shí)間不同介質(zhì)頻散(色散)和介質(zhì)損耗二、材料鐵電性回顧與補(bǔ)充具有很強(qiáng)電偶極矩的小區(qū)，小區(qū)內(nèi)各晶胞的具有固有電偶極矩、且方向相同各電疇電偶極矩取向不同、任意體積元內(nèi)的所有電疇電矩的矢量和為零即使是鐵電晶體材料通常也不是單電疇晶體鐵電陶瓷：鐵電晶粒及非晶相組成未受電極化時(shí)更不可能具有電性1、回顧電疇是什么－由什么組成鐵電性的根源是材料中含有電疇？？未受電極化的鐵電材料為什么不顯電性？鐵電材料（鐵電疇）的重要特征：外電場(chǎng)中的疇轉(zhuǎn)向－趨向于外電場(chǎng)的方向疇壁移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、新疇的形成的過程，需要時(shí)間、需要克服內(nèi)摩擦電滯現(xiàn)象（1）

單電疇鐵電晶體為什么不容易形成？2、補(bǔ)充說明單電疇晶體晶體兩端面有正負(fù)束縛電荷單電疇晶體儲(chǔ)有靜電能是高能、不穩(wěn)定態(tài)晶體生長(zhǎng)受機(jī)械約束、整個(gè)單晶體分成多個(gè)電偶極矩方向不同的小區(qū)域—電疇（2）鐵電晶體的電疇類型－相鄰電疇電偶極矩間的夾角絕大部分鐵電晶體屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CaTiO3不同的溫度范圍內(nèi)有不同的晶相四方晶系：結(jié)構(gòu)畸變沿在一個(gè)軸向發(fā)生（c軸伸長(zhǎng)或縮短）正交晶系：畸變沿兩個(gè)軸向發(fā)生斜方或三方：畸變沿體對(duì)角線[111]方向發(fā)生畸變使一些鈣鈦礦晶體的晶胞的正、負(fù)電荷中心不重合、具有偶極矩不同化合物的轉(zhuǎn)變溫度往往是不同的溫度：高低晶相：立方四方或正交斜方或三方相鄰電疇極化方向可能相差90℃或180℃90°疇、180°疇電疇壁電疇壁相應(yīng)的疇壁：90°疇壁、180°疇壁鐵電晶體的電疇類型自發(fā)極化方向可沿三個(gè)相互垂直晶軸的正、負(fù)方向四方晶相和正交晶相鐵電晶體：斜方晶系：自發(fā)極化方向沿原立方相的面對(duì)角線除90°疇和180°疇外，還可能存在60°疇和120°疇三方晶系：自發(fā)極化沿原立方體的體對(duì)角方向除180°疇外，還可能存在60°疇和120°疇或71°疇和109°疇典型鈦礦型鐵電晶體BaTiO3的幾種晶相：T＞120℃立方晶系不存在自發(fā)極化無鐵電性0℃～120℃四方晶系自發(fā)極化沿原立方相的C軸T＜－90℃三方晶系自發(fā)極化沿原立方體的體對(duì)角方向－90℃～0℃斜方晶系自發(fā)極化沿原立方相的面對(duì)角線T＞1460℃、由立方晶系轉(zhuǎn)為六方非鐵電相晶系側(cè)視圖立體圖四方鐵電相由鐵電疇組成、是離子或含離子基團(tuán)的分子組成的無對(duì)稱中心體系鐵電晶體：三、材料壓電性回顧一個(gè)古老而又充滿活力的課題1880：Piere.CurieandJacques.Curie發(fā)現(xiàn)壓電今天：電介質(zhì)領(lǐng)域最熱門的研究課題電介質(zhì)物理會(huì)議功能材料會(huì)議壓電效應(yīng)？負(fù)或逆壓電效應(yīng)或電致伸縮正壓電效應(yīng)是否所有東西都能壓出電？只有壓電體壓電性的本質(zhì)：具有壓電性的條件－壓電體是什么？（2）結(jié)構(gòu)上：無對(duì)稱中心（必要條件）（1）組成上：有離子或離子團(tuán)（必要條件）充分必要作用力材料應(yīng)變（離子間相對(duì)位置改變）使原來重合正負(fù)離子中心變?yōu)椴辉僦睾?、產(chǎn)生電偶極矩或改變了原來正負(fù)離子中心不重合的狀態(tài)、產(chǎn)生附加電偶極矩必須是無對(duì)稱中心的離子晶體或含離子團(tuán)的分子晶體壓電晶體不僅是無對(duì)稱中心的離子晶體或含離子團(tuán)的分子晶體，由鐵電疇組成鐵電晶體：（2）非鐵電性壓電晶體、壓電性較弱（1）鐵電晶體必是強(qiáng)壓電晶體；但壓電晶體未必具有鐵電性－未必是鐵電晶體總結(jié)非鐵電性壓電晶粒組成的陶瓷有無壓電性？無壓電性、晶粒取向混亂壓電陶瓷是什么？鐵電性、由鐵電晶粒及非晶相的組成極化、電疇取向強(qiáng)壓電性四、熱釋電效應(yīng)及熱釋電材料具有自發(fā)極化的材料：（1）極化后鐵電晶體與鐵電陶瓷極化后各電疇沿電場(chǎng)取向、具有自發(fā)極化（2）另一類晶體－被稱為熱釋電晶體只能沿唯一的方向產(chǎn)生自發(fā)極化－又被稱為單軸鐵電體具有自發(fā)極化、電場(chǎng)不能改變其自發(fā)極化的方向與自發(fā)極化方向垂直的材料兩個(gè)端面上存在束縛電荷自發(fā)極化溫度變化引起材料自發(fā)極化變化.自發(fā)極化溫度升高自發(fā)極化減小熱釋電效應(yīng)的定義（1）材料中自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化而變化的效應(yīng).（2）溫度變化引起材料中自發(fā)極化改變、表面產(chǎn)生凈電荷的現(xiàn)象（3）材料中自發(fā)極化隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷自發(fā)極化溫度升高浮游電荷其性質(zhì)稱為熱釋電性（4）具有自發(fā)極化材料溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì)在外部電路產(chǎn)生電流自發(fā)極化溫度升高自發(fā)極化減小AAI電流熱釋電材料：具有熱釋電性的材料－具有自發(fā)極化的材料晶體和鐵電陶瓷晶體：鐵電晶體、熱釋電晶體鐵電晶體：電疇的自發(fā)極化方向不同，但經(jīng)外電場(chǎng)極化處理后、具有沿外場(chǎng)方向的極化電偶極矩如：硫酸三甘肽等多軸鐵電體熱釋電晶體：自發(fā)極化方向唯一、且不能被外電場(chǎng)轉(zhuǎn)向如：等單軸鐵電體鐵電陶瓷：經(jīng)外電場(chǎng)極化處理、具有剩余極化、象極化了的鐵電晶體一樣、具有熱釋電性具有唯一的自發(fā)極化方向（極軸）熱釋電晶體：無對(duì)稱中心的離子晶體或含離子基團(tuán)的分子晶體五、介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性的關(guān)系介電性：所有電介質(zhì)都具有的性質(zhì)，對(duì)其組成和結(jié)構(gòu)無特殊要求不同電介質(zhì)具有不同的介電性壓電性：壓電體：組成上必需是離子或含離子基團(tuán)的分子結(jié)構(gòu)上必需無對(duì)稱中心（1）一般壓電晶體（無自發(fā)極化）具有壓電性（2）鐵電晶體或鐵電陶瓷具有強(qiáng)壓電性（3）熱釋電晶體具有強(qiáng)壓電性（自發(fā)極化方向唯一、無需極化取向、也不能極化）（有自發(fā)極化、需極化取向）熱釋電性：熱釋電體所具有的性質(zhì)熱釋電體:熱釋電晶體、（極化了的）鐵電晶體和陶瓷一般壓電晶體（無自發(fā)極化）無熱釋電性？壓電效應(yīng)：機(jī)械應(yīng)力引起正負(fù)電荷產(chǎn)生相對(duì)位移、不同方向上的離子的位移不同、出現(xiàn)凈電偶矩晶體受熱膨脹：在各個(gè)方向上的同時(shí)發(fā)生，并且在對(duì)稱方向上有相等的膨脹系數(shù)、引起的電荷相對(duì)位移相等正負(fù)電荷重心相對(duì)位置不會(huì)因溫度變化而改變石英不產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)例：鐵電性：鐵電體（晶體和陶瓷）所具有的性質(zhì)有多個(gè)自發(fā)極化（鐵電疇）方向，且自發(fā)極化可沿電場(chǎng)取向電場(chǎng)極化電滯回線一般電介質(zhì)一般壓電晶體熱釋電晶體鐵電體電場(chǎng)極化電場(chǎng)極化電場(chǎng)極化無對(duì)稱中心無對(duì)稱中心無對(duì)稱中心自發(fā)極化自發(fā)極化極軸唯一多個(gè)極軸電介質(zhì)、壓電晶體、熱釋電晶體、鐵電體特性總結(jié)鐵電性熱釋電性壓電性介電性介電性、壓電性、熱釋性、鐵電性關(guān)系總結(jié)六、晶體電性能與結(jié)晶點(diǎn)群的關(guān)系結(jié)晶學(xué)點(diǎn)群總數(shù)：32種中心對(duì)稱的：11種－無壓電性11種中心對(duì)稱點(diǎn)群：

1，2/m,3,4/m,6/m，mmm，3m，4/mmm，6/mmm，m3，m3m非中心對(duì)稱的：21種，具有壓電性的20種一種432對(duì)稱性較高、幾乎無壓電性1，2，3，4，6，m，m