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1、第2章 介电铁电陶瓷,2.1 概述 2.2 陶瓷的极化 2.3 介电陶瓷材料 2.4 铁电陶瓷材料 2.5 压电及热释电陶瓷,主要内容,2.1 概述,介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能。这一类材料总称为电介质。 电介质极化:电导率很低的材料，在电场作用下会沿电场方向产生电偶极矩，在靠近电极的材料表面会产生束缚电荷，这种材料成为介电体或电介质，这种现象称为电介质的极化。,2.1 概述,介电陶瓷指电阻率108m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。介电材料主要是通过控制介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷
2、 按其在电场中的极化特性，可分为: 电绝缘陶瓷 电容器陶瓷 后来又发现了压电、铁电和热释电陶瓷,导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。,在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下, 电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。,2.2 陶瓷的极化,偶极子,电偶极矩 ：=ql（单位：库仑 米） 外场越强，l越大，越大；电场消失， 消失 电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的
3、方向一致。 质点的极化率： = /Eloc ，单位：Fm2，与材料的性质有关，表征材料的极化能力,-q,+q,l,E,偶极子,2.2 陶瓷的极化,介电材料的极化，其原理是对材料施以一个电场或磁场都能使其产生不平衡电荷的原子或原子团，結果材料內的电荷立即重新分布。 对于理想的介电材料电压加上时立刻产生电荷与极化，提高了材料的介电系数,+,+,+,+,电介质,极化的基本形式,介质的极化是由电子极化、离子极化和偶极子转向极化组成的，大致可分为以下两类,位移极化,取向极化 (松弛极化),电子极化 离子极化,偶极子取向极化 空间电荷极化,是一种弹性的极化、瞬时完成，过程不消耗能量,与热运动有关，属非弹性
4、极化， 需要一定的时间需要能量,（1）电子极化,在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。 建立或消除电子极化的时间极短，约为1015 1016 s,e=e E,当电子轨道半径增大时，电子极化率很快地增加。,（2）离子极化,在外电场作用下，构成分子的离子发生相对位移而形成的极化 离子极化建立或消除的时间很短，与离子在晶格振动的周期有相同数量级，约为 1012 1013 s,+,+,E,X+,X-,离子晶体的极化,离子极化示意图,具有恒定偶极矩的极性分子，在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，整体表现为宏观偶极矩。 转向极化比电子极化率高得多。,（3
5、）偶极子转向极化,陶瓷多晶体在电场中空间电荷在晶粒内和电畴中移动，聚集于边界和表面而产生的极化。 在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可形成空间电荷极化 空间电荷的建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此只对直流和低频下的介电性质有影响,（4）空间电荷极化,随温度升高而下降 温度升高，离子运动加剧，离子扩散容易，使空间电荷减少,极化种类,电子极化 离子极化 偶极子取向极化 空间电荷极化,E,四种极化叠加,介电陶瓷可分为电绝缘陶瓷和电容器陶瓷 2.3.1温度补偿电容器用介电陶瓷 即具有适当的负的电容温度系数值 由于振荡回路总是由电感和电容构成，
6、回路中的电感元件一般具有正的电感温度系数，为了保持振荡回路的频率不随温度变化而发生漂移，就必须使用适当负温度系数的电容器来补偿，这种电容器就称之为温度补偿电容器。,2.3 介电陶瓷材料,2.3.1温度补偿电容器用介电陶瓷 这种陶瓷介质一般具有中低介电常数，要求温度系数值稳定，特别在高频及较高温度时介电损耗低 金红石瓷TiO2 CaTiO3， SrTiO3， MgTiO3与LaTiO3复合,微波是一种频率非常高的电磁波。把波长从1米到1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3108Hz31011Hz。如下图所示。,2.3.2微波介质陶瓷（微波通信等）,要求具有高介电常数、低介质
7、损耗、低膨胀系数和低介电常数温度系数,微波波段划分 如下:,微波信号由于其频率极高，波长极短，因而具有如下特点为：,由于频率高，信息量大，所以十分有利于在通信技术领域中应用。目前微波通信所包含在可使用波段已超过整个长、中、短波段的1000倍以上。 可直线传播，具有很强的传播方向性，以及高能量和对于金属目标的强反射能力。因此，在雷达、导航等方面有利于提高发射和跟踪目标的准确性 对不同介质具有强穿透和强吸收能力，从而可实现穿透高空中电离层的卫星通信，时行微波医疗诊断、微波探伤以及作为微波吸收材料和发热体 微波设备的数字化可实现通信的保密性。,2.3.3高介电容器陶瓷 可高达40008000，在滤波
8、、旁路、稳压、整流及交流断路器中广泛使用 这类陶瓷不仅要高，而且温度稳定性好，居里点在工作温度范围内，且能方便地被调整 BaTiO3为基，添加各种添加物（Sr, Sn, Zr）,2.3 介电陶瓷材料,2.3.4 高压陶瓷电容器（电子线路中） SrTiO3:比BaTiO3有更好的介电特性,电容器(capacitor),电容器是用来贮存从一电路接收到的电荷的电子元件 作用使电讯号波动变得平滑，积存电荷以避免电路的其他部份损坏。,Q=CV,2.4. 铁电陶瓷,一般介电体，加上电场发生极化去掉电场极化就消失，而铁电体有自发极化现象。 自发极化：在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。 铁电又称强介
9、电，在一定温度范围内可发生自极化，在外场作用下自发极化能够随电场改变电偶极子方向，并且撤去外场后能保留剩余极化，这种性质叫铁电性 自发极化的必要条件：晶体不具有对称中心,铁电体特征：有电滞回线,铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹,Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽场 Ps：饱和极化强度,Ec,铁电体特征：有居里温度,铁电体的自发极化只在某一温度范围内才存在，当温度超过某一极限值以后，自发极化即行消失。这一物理过程的临界温度Tc被成为“居里温度” 存在自发极化的晶体结构称为“铁电相” 自发极化消失的晶体结构称为“顺电相” 如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电相，则将温度最高，介电常数
10、的跃变最剧烈的温度为居里点，其他相变则称为转变点,以BaTiO3或PbTiO3基固溶体为主晶相的铁电陶瓷，是铁电陶瓷的代表性陶瓷材料，是制造电容器的重要材料之一 BaTiO3具有 六方相：1460 立方相：120 四方相：5120 斜方相：905 三方相：90 ,主要铁电陶瓷,无自发极化,（铁电陶瓷中应尽量避免）,自发极化沿001方向,自发极化沿011方向,自发极化沿111方向,BaTiO3陶瓷特性,BaTiO3陶瓷一般结构：粒径310 um BaTiO3陶瓷的电滞回线和电致收缩,BaTiO3陶瓷的生产工艺,配方(高介电常数) BaTiO3 91.04；CaSnO3 8.96 MnCO3 0.
11、10；ZnO 0.2 一定量胶黏剂或增塑剂 成型 挤制、干压、轧膜和流延等 排胶 排出有机胶黏剂，防止其在烧成时由于大量熔化、分解和挥发等造成坯体变形、开裂和形成较多的气孔 烧结,铁电电容器陶瓷 BaTiO3高电容的电容器 PbTiO3 铌酸铅 透明铁电陶瓷 PLZTPb1xLax（ZryTi1-y）1-x/4O3,1990年，居里兄弟发现：当对-石英晶体在某些特定方向上加压力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应,2.5.压电及热释电陶瓷,某些电介质晶体中，可通过机械力作用而发生极化，并因而引起表面电荷的现象称为压电效应。,晶体的对称性决定了材料能否产生压电性。 显
12、然，压电效应只存在于没有对称中心的晶体中。,压电陶瓷 陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不显示压电效应。 铁电陶瓷在居里温度以下时具有自发极化和电畴，在强直流电场作用下，电畴将沿电场的方向取向，当撤去电场后，陶瓷仍保留具有沿电场方向的剩余极化，表现为单轴的各向异性。 如果在铁电陶瓷片两侧放上电极，进行极化，使内部晶粒定向排列，陶瓷便具有压电性，成为压电陶瓷。,陶瓷呈现压电性的条件： 陶瓷内的晶粒呈铁电性 陶瓷经强直流电场处理，即极化处理 压电陶瓷是经过人工极化处理的铁电陶瓷 目前应用最广泛的压电陶瓷都属于钙钛矿型（ABO3）结构，如钛酸钡，
13、钛酸铅PbTiO3 (PT)、 ，锆钛酸铅Pb(Ti1-xZrx)O3 (PZT)、锆钛酸铅镧，铌酸钾钠,压电效应 正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这种现象称为正压电效应。 逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成正比例的变形或机械应力。 正、逆压电效应统称为压电效应。,压电效应的本质 机械作用(应力与应变)引起了晶体的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。,陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性，不显示压电性。经电场处理后，陶瓷存在剩余极化强度，它是以束缚电荷的
14、形式表现出来，且由各向同性变成各向异性，从而具有压电性。,电场处理后的陶瓷片,由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上吸附了一层表面电荷，这些吸附电荷与片内束缚电荷数量相等，符号相反，起屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。,压电效应的机理,当在瓷片上加一个与极化方向平行的压力F时，在应力的作用下瓷片发生压缩形变，片内的正、负电荷之间的距离变小，极化强度也变小，原来吸附在电极上的自由电荷有一部分被释放出来，这就是被压缩后出现的压电效应(正压电)。其过程示意所示：,陶瓷的正压电效应示意图,当压力撤去后，陶瓷片恢复原状(膨胀过程)，陶瓷片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此，电极上又吸附一
15、部分自由电荷而出现充电现象。,当在瓷片上施加与极化方向相同的电场时，此时增大了极化强度，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能(逆压电)。此过程示意如下：,压电效应本质,极化出现束缚电荷，由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与束缚电荷符号相反而数值相等,压电陶瓷的性能参数,介电性质方面：介电常数、介质损耗 介电常数反映材料的介电性质，或者说反映材料的极化性质，不同用途的压电元件对材料的介电常数要求也不同 陶瓷扬声器、送话器要求大一些好 高频压电元件刚要求小一些好 介电损耗（小） 弹性性质方面：弹性常数、机械品质因子Qm 表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的
16、大小 Qm与机械损耗成反比 压电性质方面：压电常数、机械耦合系数 居里温度、频率常数、密度以及与老化性能和温度性能有关的参数,压电材料主要工程参数,机电耦合系数,压电陶瓷的应用： 在水声技术中的应用 在超声技术中的应用￥ 在高电压发生装置上的应用 在滤波器上的应用,压电陶瓷水声换能器 是利用压电陶瓷的正、逆压电效应发射声波或接收声波来完成水下观察、通信和探测工作。 具体过程如下：压电陶瓷在电场作用下具有正负极，能产生电致伸缩效应，在交变电场作用下发生振动， 振动在声频范围内就能发出声音，当在共振频率时就能发出很强的声波，能传几海里以至几十海里，碰到障碍物就能反射回来，压电陶瓷接收反射波并转变为电信号，记录电信号，计算传播时间和方向就可判断障碍物的方向和位置。具有水中雷达的作用。,超声清洗装置 ￥ 利用压电陶瓷的
