《材料的压电性能和铁电性能比较》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的压电性能和铁电性能比较（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料的压电性能与铁电性能 压电效应1880年发现铁电 体1920年发现，铁电体是重要的 功能材料 第一节 压电性能 第二节 热释电与铁电性能 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 第四节 影响材料压电性与铁电性的因素 第一节 压电性能 一 压电效应的基本原理 1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表 面电荷的现象 2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电 对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正 、负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电 3 正压电效应 4 逆压电效应 具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中
2、心的位移，导致晶体发生形变 第一节 压电性能 5 压电材料 机电耦合效应 二 压电振子与压电方程 1 压电振子及其特征频率 （1）压电振子的基本概念 压电振子固有振动频率fr (2)最小阻抗频率fm 振子阻抗为最小的频率 (3)最大阻抗频率fn 振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效 电路图 第一节 压电性能 (5) 特征频率的含义 第一节 压电性能 2 边界条件 机械边界条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路 压电振子共有四类边界条件 第一节 压电性能 三 压电性能的主要参数 1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能） 2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损
3、耗 3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律 4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数 5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量 6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力 1、压电常数d33 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（ 电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。 当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时， 在电极面上产生电荷，则有以下关系式： 式中d33为压电常数，下标中第一个数字指电场方 向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方 向；T3为应力；D3为电位移。 它是压电介质把机械能（或电能）转 换为电能（或机械能）的比例常
4、数，反映了 应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位 移（D）之间的联系，直接反映了材料机电 性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引 出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij 、gij、 eij、 hij。 2、机电耦合系数Kp 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦 合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反映。 机电耦合系数的定义是： 或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶 瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有 相应的机电耦合系数。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为
5、K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。 它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映 。它与材料的压电常数、介电常数和弹性常 数等参数有关，是一个比较综合性的参数。 其值总是小于1。 3、机械品质因数Qm 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质 因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机 械品质因数Qm的定义式是： 其中： fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容 4、频率常数N 对某一压电振子，其谐振频率和振
6、子振动方向长度 的乘积为一个常数，即频率常数。 N=frl 其中： fr为压电振子的谐振频率； l为压电振子振动方向的长度。 薄圆片径向振动 Np=frD 薄板厚度伸缩振动 Nt=frt 细长棒K33振动N33=frl 薄板切变K15振动N15=frlt D为圆片的直径 t为薄板的厚度 l为棒的长度 lt为薄板的厚度 第一节 压电性能 四 压电材料的应用 1日常生活应用 煤气炉、汽车发动机等所用的压电点火器电子手表 所用的压电谐振器，声控门、报警器，验证个人笔迹 和声音特征的压电力敏传感器等 2电子学领域应用 信号处理器、存贮显示器、信号发生器及各类计量测 试元件等 3高灵敏度、高可靠性的传感
7、器 压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器 第二节 热释电与铁电性能 一 自发极化及其微观机制 1自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的 晶胞中正负电荷中心不重合，晶胞的固有偶极矩会沿 同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态 具有自发极化的晶体必然是个带电体，其电场强度取 决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移， 则极化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移，对于 任何一个单个的A离子，即使无外场作用，也有来自周 围极化P所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应 束缚在表面的自由电荷层有一部分可恢复自由释放出 来，使晶体呈现出带
8、电状态或在闭合电路中产生电流 第二节 热释电与铁电性能 二晶体的热释电效应 1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应 有压电性的晶体不一有热释电性 2 热释电性能表征 （1）热释电系数 表示热释电效应的强弱 与晶体所处状态有关 第二节 热释电与铁电性能 （2）逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变化 （3）热释电红外敏感元件 能充分吸收入射的红外线 热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元
9、件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度 三晶体的铁电性 1 铁电体的特性 （1）铁电性的基本概念 晶体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的 取向，在电场作用下其取向可以随电场改变 第二节 热释电与铁电性能 （2）铁电体的共同特性 具有电滞回线 具有结构相变温度，即居里点 具有临界特性 （3）电滞回线 铁电体的极化强度P与外加电场 E之间呈非线性关系，且极化强 度随外电场反向而反向极化强 度的反向源于铁电体内部存在的 电畴反转 第二节 热释电与铁电性能 当外电场增加时，与电场同向的电畴则逐渐扩大，铁 电体在外场方
10、向的极化强度随电场增加而增加（OA段 ）当电场增大到所有反向电畴均反转到外场方向时， 晶体变成单畴体，晶体的极化达到饱和（C附近），电 场再增加，极化强度将随电场线性增加，达到最大值 Pmax, 将线性部分外推到电场为零时，在纵轴上的截距 Ps称为饱和极化强度，是每个电畴原来所具有的自发 极化强度当电场C处开始减小时，极化强度将沿CB 曲线逐渐下降E=0，极化强度下降到某一数值Pr， 称为铁电体的剩余极化强度 改变电场方向，沿负方向增加到Ec时，P降至零，反 向电场再继续增加，极化强度反向，Ec称为铁电体的 矫顽场强随着反向电场的继续增加，极化强度沿负 方向继续增加，并达到负方向的饱和值(-P
11、s)，整个晶 体变为负向极化的单畴晶体. 第二节 热释电与铁电性能 当电场由高的负值变化到高的正值时，正向电畴又开 始形成并生长，直至整个晶体再一次变成具有正向极 化的单畴晶体，极化强度沿曲线FGH回到C点 自发极化强度Ps 矫顽电场强度Ec （4）居里温度Tc 温度达到某一温度以上时，热运动的结果，偶极子从 电场的束缚中解放出来，使自由能G下降 TTc 自发极化为零，非铁电相或顺电相 T Tc 存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电相 居里点 当晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电铁电相 变温度 第二节 热释电与铁电性能 相变温度或过渡温度 晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度 上、下铁电
12、居里温度Tc 有的晶体在一温度区间内为铁电相，这类晶体有上下 两个铁电居里温度Tc 高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的 原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶 体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构 对称性发生逐次递降而形成的亚群 (5)临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化 介电性质、压电性、弹性、光学性质、热学性质 第二节 热释电与铁电性能 铁电晶体在发生顺电铁电相变时， 最重要的是材料介电性能的变化遵 循居里外斯定律： 2 铁电畴 （1）电畴的基本概念 自发极化相同的小区域 产生电滞回线原因：铁电体是由铁电畴组成的 畴壁的厚度很薄，仅有几个晶胞的尺
13、寸 铁电体通常是多电畴体 （2）电畴的取向 电畴只能沿几个特定的方向取向 自发应变 电畴壁的取向必须保证相邻电畴在畴壁各方向上所 产生的自发应变能够相容 第二节 热释电与铁电性能 3 铁电体的电致伸缩效应 电致伸缩效应 介电体在电场作用下，由诱导极化而引起的形变 应变与极化强度的平方成正比，是一种平方效应 电致伸缩效应的形变与外电场的方向无关 逆压电效应只产生于压电体，形变与外电场呈线性 关系，而且随外电场反向而改变符号 电致伸缩效应和逆压电效应有着明显的差异 第二节 热释电与铁电性能 4 铁电、热释电、压电、介 电晶体之间的关系 晶体按几何结构分为7个 晶系：三斜、单斜、正交 、四方、三角、
14、六角和立 方晶系 具有铁电性的晶体必具有 热释电性和压电性 具有热释电性的晶体必具 有压电性，不一定具有铁 电性 压电体、热释电体和铁电 体均同于介电质晶体 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 前言 透明铁电陶瓷的应用： 激光技术、计算机技术、全息存贮与显示以及光电 子学 电光效应的应用是以电控双折射和电控散射效应的 形式来实现的 光学性质与晶粒尺寸密切相关： 粗晶粒陶瓷(晶粒尺寸大于23m ）是电控散射 细晶粒陶瓷电控双折射 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 一 电控双折射效应 1 电控双折射原理 极化后的细晶(晶粒大小约1一2m)透明铁电陶瓷，光 轴方向为极化轴方向当一束光斜交于陶瓷极化
15、轴方 向传播时，会产生双折射光束会被分解为两束偏振 光o光和e光，则有效双折射率nneno透 明铁电陶瓷为负单轴晶，n0，且n与陶瓷的剩 余极化强度Pr有关，也与外加电场有关 2 电控双折射 细晶透明铁电陶瓷的有效双折射率可通过改变剩余极 化强度Pr和外加电场E进行控制 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 二 电控光散射效应 在粗晶粒透明铁电陶瓷中，透射光是以一定的角度分 布向后散射的，而且此角度分布依赖于陶瓷极化轴的 取向，或剩余极化的方向 当施加外电场改变陶瓷极化轴取向时，就可以改变散 射光强度的角分布 当入射光传播方向与极化强度平行时，光线大部分集 中于2以内 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 光线传播方向与极化强度垂直时，光强的峰值移到15 左右，而2以内只有很小一部分光 高质量的PLZT透明铁电陶瓷SP时，进入检测器的 相对光强比SP时进入检测器的相对光强峰值相差约 两个数量级以上 PLZT透明铁电陶瓷制成双稳态光闸、二进位存贮器和 显示
