第三章材料物理性能

￿第三章第三章 材料的介材料的介电性能性能本章本章主要内容主要内容l电介介质及其极化及其极化l压电性和性和热释电性性l铁电性性1. 1. 以以电荷荷长程程迁迁移移即即传导的的方方式式（（可可以以是是电子子传导、、空空穴穴传导和和离离子子传导））对外外电场作作出出响响应，，这类材材料料即即导电材料材料；； 材料材料对外外电场作用的响作用的响应2. 2. 以以感感应的的方方式式对外外电场作作出出响响应，，即即沿沿电场方方向向产生生电偶偶极极矩矩或或电偶偶极极矩矩的的改改变，，这类材材料料称称为电介介质；；这种种现象象称称为电介介质的的极极化化 极化极化绝缘体体≠≠电介介质 将将物物质分分类为绝缘体体、、半半导体体、、导体体、、以以及及超超导体体时，，其其依依据据是是物物质的的电荷荷传导特特性性或或者者说电荷荷长程程迁迁移移特特性性电荷荷的的传导（（电荷荷的的长程程迁迁移移）），，作作为物物质对外外电场的的响响应，，其其宏宏观表表现即即为电流流根根据据欧欧姆姆定定律律: : J=J=σσE E，，其其中中J J为电流流密密度度，，E E电场强度度，，而而σσ为电导率率张量量( (二二阶对称称张量量) )。

电导率率反反映映了了物物质的的电荷荷传输特性或特性或电荷荷长程迁移特性程迁移特性 物物质对外外电场的的响响应除除去去电荷荷的的传导外外，，还有有电荷荷短短程程运运动与与位位移移这种种电荷荷的的短短程程运运动与与位位移移称称为极极化化(Polarization)(Polarization)，，其其结果果是是促促使使正正负电荷荷中中心心偏偏移移、、从从而而产生生电偶偶极极矩矩而而以以极极化化方方式式传递、、储存存或或记录外外电场作作用用和和影影响响的的物物质就就是是电介介质显然然，，电介介质中中起起主主要要作作用用的的乃乃是是束束缚电荷荷而而非非自自由由电荷荷极极化化可可以以来来自自极极性性晶晶体体或或分子的自分子的自发极化、也可以来自极化、也可以来自电场的的诱导作用 传导与与极极化化是是物物质对电场的的两两种种主主要要响响应方方式式，，它它们虽有有主主次次、、但但往往往往同同时存存在在当当我我们主主要要关关注注其其传导特特性性时，，将将物物质分分类为绝缘体体、、半半导体体与与导体体；；而而当当我我们重重点点关关注注其其极极化化特特性性时，，则将将物物质分分类为顺电体体、、铁电体体、、反反铁电体体、、压电体体、、热释电体体等等电介介质。

电介介质与与绝缘体体是是相相互互密密切切联系系、、然然而而并并不不能能等等同同的的两两个个概概念念绝缘体体肯肯定定是是电介介质，，但但电介介质却却不不仅仅包包括括绝缘体体虽然然大大部部分分实用用电介介质材材料料为绝缘体体，，然然而而半半导体体甚甚至至金金属属都都有有电介介质的的特特性性、、只只是是其其对外外电场的响的响应中中传导效效应远远超超过了极化效了极化效应而已 介介电材材料料和和绝缘材材料料是是电子子与与电气工程中不可缺的功能材料气工程中不可缺的功能材料3.1 3.1 电介介质及其极化及其极化3.1.1 3.1.1 平板平板电容器及其容器及其电介介质电容容 ：：两两个个临近近导体体加加上上电压后后存存储电荷荷能能力力的的量量度度是是表表征征电容容器器容容纳电荷的本荷的本领的物理量的物理量 电容容的的单位位是是法法拉拉，，简称称法法，，符符号号是是F, F, 毫毫法法(mF)(mF)、、微微法法(μF)(μF)、、纳法法(nF) (nF) 和和皮法皮法(pF)(pF)3.1.2 介电常数1）材料因素：ε 材料在电场中被极化的能力 2）尺寸因素： d 和A ：平板间的距离和面积如果平板间为真空：在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，C>CC>C0真空介电常数：ε0 =8.85×10-12 F. m-1(法拉/米) 相对介电常数：εr介电常数（电容率）： =0r(F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。

材料频率范围/Hz相对介电常数二氧化硅玻璃102-10103.78金刚石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯603.0聚甲基丙烯酸甲酯603.5钛酸钡1063000刚玉6093 3））电介介质的极化：的极化：l介介电材材料料：：放放在在平平板板电容容器器中中增增加加电容容的材料的材料 l电介介质：：在在电场作作用用下下能能建建立立极极化化的的物物质 在在真真空空平平板板电容容器器中中，，嵌嵌入入一一块电介介质加加入入外外电场时，，在在正正极极附附近近的的介介质表表面面感感应出出负电荷荷，，负极极板板附附件件的的介介质表表面面感感应出出正正电荷荷，，这些些电荷荷称称为感感应电荷荷或或束束缚电荷荷l极极化化：：电介介质在在电场作作用用产生生束束缚电荷荷的的现象－+偶极子－++++－－－－++－－+－+－+－+－+－+－+－+－+－+自由电荷束缚电荷3.1.23.1.2极化相关的物理量极化相关的物理量1 1））电偶偶极极矩矩：：带有有等等量量异异号号电荷荷并并且且相相距距一一段段距距离离的的荷荷电质点点，，形形成成电偶极矩 对于于极极性性分分子子电介介质，，由由于于分分子子的的正正负电荷荷中中心心不不重重合合，，存存在在电偶偶极极矩矩；；对于于非非极极性性分分子子电解解质，，由由于于外外界界作作用用，，正正负电荷中心瞬荷中心瞬时分离，也分离，也产生生电偶极距。

偶极距 电偶极子：具有一个正极和一个偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或极的分子或结构构. .极化极化电荷：和外荷：和外电场相垂直的相垂直的电介介质表面分表面分别出出现的正的正负电荷，不能自荷，不能自由移由移动，也不能离开，，也不能离开，总保持保持电中性2 2）极化）极化强度度P P：：电介介质极化程度的量度，极化程度的量度，单位体位体积内的内的电偶极矩，数偶极矩，数值上等于分子表面上等于分子表面电荷密度荷密度σσ；； Xe: Xe: 电极化率极化率, , 不同材料具有不同的不同材料具有不同的值 它和它和实际有效有效电场有关，有关，实际电场包括包括(1)(1)外加外加电场；；(2)(2)极化极化电荷荷自身的自身的电场可以可以证明：明：所以有：所以有：令令电位移位移D D为：： 代入得：代入得：在各向同性的在各向同性的电介介质中，中，电位移等于位移等于场强的的ε ε 倍。

倍 1. 1. 电子位移极化子位移极化无外无外电场作用作用+ + E E±±- -3.1.3 3.1.3 极化机制极化机制 电子子位位移移极极化化：：在在外外电场作作用用下下，，原原子子外外围的的电子子云云相相对于于原原子子核核发生生位位移移，，原原子子中中的的正正、、负电荷荷重重心心产生相生相对位移，形成位移，形成电矩，称矩，称电子的位移极化子的位移极化特点：特点：1. 1. 范范围：一切气体、液体及固体介：一切气体、液体及固体介质中中2. 2. 能能耗耗：：具具有有弹性性，，当当外外电场去去掉掉后后，，依依靠靠正正、、负电荷荷间的的吸吸引引力力，，作作用用中中心心又又马上上会会重重合合，，对外外不不显电性性不不引引起能量起能量损耗耗3. 3. 与与频率率关关系系：：由由于于电子子质量量轻，，极极化化速速度度快快，，1010-14-14-10-10- -1515秒，秒， 在各种在各种频率的交率的交变电场下均能下均能产生，与生，与频率无关率无关其平均极化率其平均极化率为：：2. 2. 离子位移极化离子位移极化 离离子子位位移移极极化化：：电介介质中中的的正正负离离子子在在电场作作用用下下发生生可可逆逆的的弹性性位位移移。

正正离离子子沿沿电场方方向向移移动，，负离离子子沿沿反反电场方向移方向移动由此形成的极化称由此形成的极化称为离子位移极化离子位移极化 离离子子在在电场作作用用下下偏偏移移平平衡衡位位置置的的移移动相相当当于于形形成成一一个个感生偶极矩感生偶极矩 E E特点：特点：1. 1. 范范围：由离子：由离子键构成的构成的电介介质中中2. 2. 能能耗耗：：具具有有弹性性，，当当外外电场去去掉掉后后，，依依靠靠正正、、负电荷荷间的的吸吸引引力力，，作作用用中中心心又又马上上会会重重合合，，对外外不不显电性性有微量能量有微量能量损耗耗3. 3. 与与频率关系：极化完成率关系：极化完成时间约为l0l0-12-12-10-10-13-13s s离子位移极化率：离子位移极化率：式中：式中：a a为晶格常数；晶格常数；n n为电子子层斥力指数，斥力指数， 对于离子晶体于离子晶体n n为7-117-113 3、松弛极化（、松弛极化（驰豫极化）豫极化）1 1））. .松弛极化松弛极化 当当材材料料中中存存在在着着弱弱联系系电子子、、离离子子和和偶偶极极子子等等松松弛弛质点点时，，热运运动使使这些些松松弛弛质点点分分布布混混乱乱，，而而电场力力图使使这些些质点点按按电场规律律分分布布，，最最后后在在一一定定的的温温度度下下发生生极极化化。

这种种极极化化具具有有统计性性质，，叫叫做做松松弛弛极极化2 2））. .特点特点 松松弛弛极极化化的的带电质点点在在热运运动时移移动的的距距离离，，可可与与分分子子大大小小相相比比拟，，甚甚至至更更大大因因此此这种种极极化化建建立立的的时间较长( (可可达达1010-2-2-10-10-9-9秒秒) )，，需需要要吸吸收收一定的能量，是一种一定的能量，是一种非可逆非可逆的的过程 3 3））. .类型型 松松弛弛极极化化包包括括离离于于松松弛弛极极化化，，电子子松松弛弛极极化化和和偶偶极极子子松松弛弛极极化化，，多多发生在生在晶体缺陷区或玻璃体内晶体缺陷区或玻璃体内（一）（一）电子松弛极化子松弛极化电子松弛极化是由弱束子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化子引起的极化1.1.弱弱束束缚电子子：：晶晶格格的的热振振动、、晶晶格格缺缺陷陷、、杂质的的引引入入、、化化学学组成成的的局局部部改改变等等因因素素都都能能使使电子子能能态发生生改改变，，出出现位位于于禁禁带中中的局部能的局部能级，形成弱束，形成弱束缚电子2.2.电子子松松弛弛极极化化：：电介介质在在外外电场作作用用下下，，其其中中弱弱联系系电子子能能在在一定范一定范围内作定向运内作定向运动，造成，造成电荷分布不均匀，引起的极化。

荷分布不均匀，引起的极化 外外加加电场使使弱弱束束缚电子子的的运运动具具有有方方向向性性，， 形形成成极极化化状状态这种种极极化化与与热运运动有有关关，，也也是是一一个个热松松弛弛过 程程，，所所以以叫叫电子子松松弛极化 电子松弛极化的子松弛极化的过程是不可逆的，必然有能量的程是不可逆的，必然有能量的损耗19（二）离子松弛极化（二）离子松弛极化 离离子子式式电解解质在在外外电场作作用用下下，，其其中中的的弱弱联系系离离子子能能在在一一个个或或几几个个离离子子范范围内内作作定定向向运运动，，以以致致内内部部电荷荷分布不均匀，而引起的极化分布不均匀，而引起的极化 1 1））强联系系离离子子：：在在完完整整的的离离子子晶晶体体中中，，离离子子处于于正正常常结点点，，能量最低，最能量最低，最稳定，离子牢固地束定，离子牢固地束缚在在结点上，称点上，称为强联系离子它系离子它们在在电场作用下，只能作用下，只能产生生弹性位移极化性位移极化 2)2)弱弱联系系离离子子：：在在玻玻璃璃态物物质、、结构构松松散散的的离离于于晶晶体体中中以以及及晶晶体体的的杂质和和缺缺陷陷区区域域，，离离子子本本身身能能量量较高高，，易易被被活活化化迁移的离子，称迁移的离子，称为弱弱联系离子。

系离子 弱弱联系系离离子子的的极极化化从从一一个个平平衡衡位位置置到到另另一一个个平平衡衡位位置置，，当当去去掉掉外外电场时，，离离子子不不能能回回到到原原来来的的平平衡衡位位置置，，因因而而是是不不可可逆逆的迁移这种迁移的行程比种迁移的行程比弹性位移距离大性位移距离大20 T Ta a极化率极化率 ；；q q为离子荷离子荷电量；量； δδ为弱离子弱离子电场作用下的迁移；作用下的迁移； 温度越高，温度越高，热运运动对质点的点的规则运运动阻碍增阻碍增强，极，极化率减小化率减小 离子松弛极化率比位移极化率大一个数量离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可，可导致致材料大的介材料大的介电常数离子松弛极化率：离子松弛极化率：4. 4. 转向极化向极化( (取向极化）取向极化） 偶偶极极分分子子在在无无外外电场时就就有有一一定定的的偶偶极极矩矩，， 但但因因热运运动缘故故，，它它在在各各方方向向运运动概概率率相相同同，，故故无无外外电场时它它的的宏宏观电矩矩为零零。

但但有有外外电场时，，由由于于偶偶极极子子要要受受到到转矩矩的的作作用用，，有有沿沿外外电场方方向向排排列列的的趋势，，因因而而呈呈现宏宏观电矩矩，，形形成成极极化化这种种极极化化所所需需时间较长，，约1010-2-2～～1010-10-10s, s, 且且极极化化是是非非弹性性的的，，即即撤撤去去外外电场后后，，偶偶极极子子不不能能恢复原状在极化恢复原状在极化过程中要消耗能量程中要消耗能量 转向向极极化化主主要要发生生在在极极性性分分子子介介质中中具具有有恒恒定定偶偶极矩极矩μ的分子称的分子称为极性分子极性分子   在外在外场不是很高不是很高时，取向极化率：，取向极化率：无外无外场时的均方偶极距的均方偶极距       比比电子极化大子极化大2 2个数量个数量级，但由于分子，但由于分子质量大，极化建量大，极化建立立时间慢，慢，约为1010-2-2~10~10-10-10s s5. 5. 空空间电荷极化荷极化在在不不均均匀匀介介质中中，，如如介介质中中存存在在晶晶界界、、相相界界、、晶晶格格畸畸变、、杂质、、气气泡泡等等缺缺陷陷区区，，都都可可成成为自自由由电荷荷（（电子子、、离离子子））运运动的障碍；的障碍； 在在障障碍碍处，，自自由由电荷荷积聚聚，，形形成成空空间电荷荷极极化化。

这种种极极化化所需所需时间最最长，， 约几秒到数十分几秒到数十分钟，甚至数十小，甚至数十小时外外电场P极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化高价金属氧化物直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有各种极化形式的比各种极化形式的比较6 6、自、自发极化极化 是是一一种种特特殊殊的的极极化化方方式式自自发极极化化不不是是由由外外加加电场引引起起的的，，它它是是由由晶晶体体的的内内部部结构构造造成成的的在在此此类晶晶体体中中，，每个晶胞里存在固有每个晶胞里存在固有电矩，此矩，此类晶体称晶体称为极性晶体极性晶体自自发极化极化现象通常象通常发生在一些具有特殊生在一些具有特殊结构的晶体中构的晶体中3.1.4 3.1.4 宏宏观极化极化强度和微度和微观极化率的关系极化率的关系(1)(1)作用于分子、原子上的有效作用于分子、原子上的有效电场（（局部局部电场））ElocEloc ：作用于分子、原子上的有效作用于分子、原子上的有效电场外加外加电场E E0 0电介介质极化形成极化形成的退极化的退极化场E Ed d周周围的荷的荷电质点作点作用形成用形成E Ei i+++++++++++++++++ +- ------------------E0EdEiE宏宏=E0+Ed质点位置上的局部点位置上的局部电场E Elocloc （有效（有效电场）：）： E Elocloc=E=E0 0+E+Ed d+P/3+P/3 o o         对于于气体气体质点点，其，其质点点间的相互作用可以忽略，局的相互作用可以忽略，局部部电场与外与外电场相同。

相同        对于于固体介固体介质，周，周围介介质的极化作用的极化作用对作用于特定作用于特定质点上的局部点上的局部电场有影响周周围介介质的的极极化化作作用用对作作用用于于特特定定质点上的点上的电场贡献（（2 2））. .克克劳修斯修斯- -莫索堤方程莫索堤方程克克劳修斯修斯- -莫索堤方程莫索堤方程克克劳修斯修斯-莫索堤方程的意莫索堤方程的意义：：      建立了可建立了可测物理量物理量  r （宏（宏观量）与量）与质点极化率点极化率 （微（微观量）之量）之间的关系整理ppt相相对介介电常数常数偶极子种偶极子种类极化率极化率偶极子数目偶极子数目宏宏观介介电常数常数微微观介介电机制机制电子位子位移极化移极化离子位离子位移极化移极化取向取向极化极化空空间电荷极化荷极化从克从克劳修斯修斯-莫索堤方程：莫索堤方程：讨论高介高介电常数的常数的质点：点：      （（   r －－1 ））/（（   r +2 ））= n  /（（3  o ））      （（   r －－1 ））/（（   r +2 ））-----  r越大其越大其值越大越大克克劳修斯修斯- -莫索堤方程的适用范莫索堤方程的适用范围：： 适适用用于于分分子子间作作用用很很弱弱的的气气体体、、非非极极性性液液体体、、非非极极性性固固体、具有适当体、具有适当对称性的固体。

称性的固体 介介质中中质点点极化率大极化率大，极化介，极化介质中中极化极化质点数多点数多，，则介介质具有具有高介高介电常数常数电介介质在在电场作用下，内部通作用下，内部通过的的电流包括：流包括： ：：电容容电流：流：由由样品的几何品的几何电容的充容的充电引起引起电流；流； ：：介介质极极化化的的建建立立引引起起的的电流流：：与与极极化化的的松松弛弛（（驰豫豫））过程有关；程有关； ：：介介质的的电导（漏（漏导）造成的）造成的电流流：与自由：与自由电荷有关3.2 3.2 交交变电场下的下的电介介质3.2.1 3.2.1 复介复介电常数和介常数和介质损耗耗 在在真真空空中中的的平平行行平平板板式式电容容器器两两极极板板上上加加交交变电压U=UU=Uo oe e i i t t，，电容上的容上的电流与外流与外电压相差相差9090o o的位相的位相由由 Q=CQ=Co oU U U=Q/C U=Q/Co o= = Idt/CIdt/Co o I=C I=Co odU/dtdU/dt电容上的容上的电流：流： I Ic c=i=i C Co oU U 两两极极板板间填填充充相相对介介电常常数数为  r r的的理理想想介介电材材料料（（绝缘、非极性），、非极性）， 电容上的容上的电流：流：I=iI=i CU= iCU= ir rC Co oU= U=  r rI Ic,c,电容上的容上的电流与外流与外电压仍相差仍相差9090o o的位相的位相如果介如果介质有微弱的有微弱的导电，，则其中有一个与外加其中有一个与外加电压相位相相位相同的小同的小电流通流通过（（I= i CU+GU））Ui CU设电导G仅由自由由自由电荷荷产生，生，则:   G= A/d ,  由于由于电容容:    C= r   0A/d则电流密度流密度:   J=(ir  0 +  )E=  *E 复复电导率率 * 的定的定义：：  *= i r  0 +  复介复介电常数常数的定的定义：： 损耗角正切耗角正切的定的定义：： 表表示示为获得得给定定的的存存储电荷荷要要消消耗耗的的能能量量的的大大小小，，是是评价价电介介质作作为绝缘材料使用材料使用评价的参数。

价的参数整理ppt德拜方程：德拜方程：                  r( )= r +[  rs -  r ] /(1+i )                   r ' =  r +[  rs -  r ] /(1+  2 2) （（  r( )的的实部）部）                  r ' ' = [  rs -  r ]  /(1+  2 2) （（  r( )的虚部）的虚部）           tg = r ' ' /  r ' = 其中：其中：  rs -----低低频或静或静态时的相的相对介介电常数常数              r  ------ 时的相的相对介介电常数常数德拜研究了德拜研究了电介介质的的介介电常数常数 r'、、反映介反映介电损耗的耗的 r'' 、、所加所加电场的角的角频率率及及松弛松弛时间之之间的关系3.2.2  介介电松弛（弛豫）和德拜方程松弛（弛豫）和德拜方程  0.1       1       10     r  rs r´´ r´ =1，，  r''最大，大于或小于最大，大于或小于1 时，， r''都小，都小，即：松弛即：松弛时间和所加和所加电场的的频率相比，松弛率相比，松弛时间较长时，，偶极子来不及偶极子来不及转移定向，移定向，  r''就小；松弛就小；松弛时间比所加比所加电场的的频率率还要迅速，要迅速， r''也小。

也小空空间电荷极化荷极化松弛极化松弛极化离子极化离子极化电子极化子极化          工工频    声声频      无无线电    红外外     紫外紫外极极化化率率或或           极化率和介极化率和介电常数与常数与频率的关系率的关系3.2.3 3.2.3 介介电损耗耗分析分析电介介质在在电场作作用用下下，，单位位时间内消耗的内消耗的电能称能称为介介电损耗在直流在直流电场下，下，介介质损耗率耗率p p：：单位体位体积的介的介质损耗耗介介质损耗率取决于材料的耗率取决于材料的电导率率整理ppt 在交在交变电场下，介下，介质损耗不耗不仅与自由与自由电荷的荷的电导有关，有关，还与松弛极化与松弛极化过程有关，所以程有关，所以σσ不不仅决定于自由决定于自由电荷荷电导，，还由由束束缚电荷荷产生，与生，与频率有关整理ppt（（1 1））频率的影响率的影响介介质损耗和耗和频率、温度的关系率、温度的关系①①ω→0，，介介质的各种极化都能跟上外加的各种极化都能跟上外加电场的的变化，此化，此时不不存在极化存在极化损耗，介耗，介电常数达到最大介常数达到最大介电损耗主要耗主要由漏由漏导引起，与引起，与频率无关。

率无关tg = /     ω→0，，tg →∞ω↑ tg  ↓整理ppt②② 当外加当外加电场频率率逐逐渐升高升高时，松弛极化在，松弛极化在某一某一频率率开开始跟不上外始跟不上外电场的的变化，松弛极化化，松弛极化对介介电常数的常数的贡献逐献逐渐减小，减小，③③ω很高很高时，，  r  →   r∞ ,  r 趋于最小于最小值ω→∞，，tg →0ω↑  r ↓ tg ↑整理ppt（（2 2）温度的影响）温度的影响①①T T 很低很低时, , ω↑  r 较小小, tg 较小小,且且ω2τ2》》1　　 T ↑,  r ↑, tan  ↑,Pw ↑②②T T 较高高时, , ω2τ2«1①①T ↑, tan  ↓ ,Pw ↓ ②②T T 很高很高时, ,  r 下降下降, tan  增大增大整理ppt陶瓷材料的陶瓷材料的损耗耗 电导损耗耗 取向极化和取向极化和驰豫极化豫极化损耗耗 电介介质结构构损耗耗高温、低高温、低频下，主要下，主要为电导损耗；耗；常温、高常温、高频下，主要下，主要为松弛极化松弛极化损耗；耗；高高频、低温下，主要、低温下，主要为结构构损耗；耗；整理ppt1.  压电效效应3.4.1  压电性性3.4 3.4 压电性和性和铁电性性        18801880年年J.J.居里和居里和P.P.居里兄弟居里兄弟发现，，对α-α-石英石英单晶体在晶体在一些特定方向上加力，一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出在力的垂直方向的平面上出现正、正、负束束缚电荷，后来称荷，后来称这种种现象象为压电效效应。

正正压电效效应）） 居里兄弟居里兄弟发现压电效效应后的第二年（即后的第二年（即18811881年），李普年），李普曼（曼（LippmannLippmann）依据）依据热力学方法，推知力学方法，推知应有逆有逆压电效效应存存在，几个月后，居里兄弟从在，几个月后，居里兄弟从实验上上验证了了这一点    正正压电效效应和逆和逆压电效效应统称称为压电效效应 1 1）、正）、正压电效效应 对晶体材料在一定方向上施加晶体材料在一定方向上施加压应力力时，在其，在其两端表面上会出两端表面上会出现数量相等、符号相反的束数量相等、符号相反的束缚电荷；荷；如施加拉如施加拉应力，力，则表面荷表面荷电性性质反号在一定范反号在一定范围内内电荷密度与作用力大小成正比荷密度与作用力大小成正比 2 2）、逆）、逆压电效效应 在一定方向的在一定方向的电场作用下，具有作用下，具有压电效效应的晶的晶体材料会体材料会产生外形尺寸的生外形尺寸的变化，在一定范化，在一定范围内，其内，其形形变与与电场强度成正比度成正比这种种现象称象称为逆逆压电效效应 F FF F极化面极化面Q Q压电效效应及可逆性及可逆性正正压电效效应的的电位移位移与施加的与施加的应力力有如下关系：有如下关系：                        D=dTd:压电常数常数逆逆压电效效应的的应变与施加的与施加的电场强度度有如下关系：有如下关系：                        S=dEd:压电常数常数注：正、逆注：正、逆压电效效应的的压电常数一常数一样。

电能能机械能机械能正正压电效效应逆逆压电效效应l压电体：体：具有具有压电效效应的物体称的物体称为压电体l压电性：性：某些介某些介质在机械力作用下在机械力作用下发生生电极化或极化或电极化极化的的变化，化，这样的性的性质称称为压电性 目前，已知目前，已知压电体超体超过千种，可以是晶体，多晶体，聚千种，可以是晶体，多晶体，聚合物、生物体合物、生物体整理ppt广泛的生广泛的生产应用：用：“压电效应”让人穿着衣服走路都能发电！国产 压电 写真机我们是“压电陶瓷点火器” 天天然然结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体，，在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴来来表表示示，，其其中中纵向向轴Z Z－－Z Z称称为光光轴；；经过正正六六面面体体棱棱线，，并并垂垂直直于于光光轴的的X X－－X X轴称称为电轴；；与与X X－－X X轴和和Z Z－－Z Z轴同同时垂垂直直的的Y Y－－Y Y轴（（垂垂直直于于正正六六面面体体的的棱棱面）称面）称为机械机械轴ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体( (a a) )理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 ( (b b) )坐坐标系系ZYX 通通常常把把沿沿电轴X X－－X X方方向向的的力力作作用用下下产生生电荷荷的的压电效效应称称为““纵向向压电效效应””，，而而把把沿沿机机械械轴Y Y－－Y Y方方向向的的力力作作用用下下产生生电荷荷的的压电效效应称称为““横横向向压电效效应””，，沿沿光光轴Z Z－－Z Z方向受力方向受力则不不产生生压电效效应。

 2 2、晶体、晶体压电性性产生原因生原因        α-α-石英石英晶体具有晶体具有压电效效应，是由其内部，是由其内部结构决定构决定的石英石英α-α-晶体属于离子晶体，无晶体属于离子晶体，无对称中心，化学称中心，化学组成是二氧化硅石英晶体的硅离子成是二氧化硅石英晶体的硅离子SiSi4+4+和氧离子和氧离子O O2-2-在在Z Z平平面投影，如面投影，如图( (a a) )为讨论方便，将方便，将这些硅、氧离子等些硅、氧离子等效效为图( (b b) )中正六中正六边形排列，形排列，图中中“＋＋”代表代表SiSi4+4+，，“－－”代表代表2O2O2-2- b)(a)++- -- -- -YXXY硅氧离子的排列示意硅氧离子的排列示意图+l 当当作作用用力力F FX X=0=0时，，正正、、负离离子子（（即即SiSi4+4+和和2O2O2-2-））正正好好分分布布在在正正六六边形形顶角角上上，，形形成成三三个个互互成成120120º夹角角的的偶偶极极矩矩P P1 1、、P P2 2、、P P3 3，，如如图（（a a））所所示示此此时正正负电荷荷中中心心重重合合，，电偶偶极极矩的矢量和等于零，即矩的矢量和等于零，即 P P1 1＋＋P P2 2＋＋P P3 3＝＝0 0 l当当晶晶体体受受到到沿沿X X方方向向的的压力力（（F FX X<0<0））作作用用时，，晶晶体体沿沿X X方方向向将将产生生收收缩，，正正、、负离离子子相相对位位置置随随之之发生生变化化，，如如图（（b b））所所示示。

此此时正正 、、 负 电 荷荷 中中 心心 不不 再再 重重 合合 ，， 电 偶偶 极极 矩矩 在在X X方方 向向 的的 分分 量量 为( (P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3) )X X>0>0在在Y Y、、Z Z方向上的分量方向上的分量为（（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3））Y Y=0 =0 （（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3））Z Z=0=0由由上上式式看看出出，，在在X X轴的的正正向向出出现正正电荷荷，，在在Y Y、、Z Z轴方向方向则不出不出现电荷Y+++- -- -- -X(a)  FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b) FX<0+++- -- --P1P2P3可可见，当晶体受到沿，当晶体受到沿X X( (电轴) )方向的力方向的力F FX X作用作用时，它在，它在X X方向方向产生正生正压电效效应，而，而Y Y、、Z Z方向方向则不不产生生压电效效应晶晶体体在在Y Y轴方方向向力力F FY Y作作用用下下的的情情况况与与F FX X相相似似当当F FY Y＞＞0 0时，，晶晶体体的的形形变与与图（（b b））相相似似；；当当F FY Y＜＜0 0时，，则与与图（（c c））相相似似。

由由此此可可见，，晶晶体体在在Y Y（（即即机机械械轴））方方向向的的力力F FY Y作作用用下下，，使使它它在在Y Y方方向向产生生正正压电效效应，在，在X X、、Z Z方向方向则不不产生生压电效效应 （P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c) FX>0Y+++- -- -X- -+++－－－FXFXP2P3P1+－l 当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的拉力（方向的拉力（F FX X＞＞0 0）作用）作用时，其，其变化情况如化情况如图（（c c）此时电极矩的三个分量极矩的三个分量为在在X X轴的正向出的正向出现负电荷，在荷，在Y Y、、Z Z方向方向则不出不出现电荷 压电效效应与与晶晶体体的的对称称性性有有关关由由前前讨论可可知知，，压电效效应的的本本质是是对晶晶体体施施加加应力力时，，改改变了了晶晶体体内内的的电极极化化，，这种种电极极化化只只能能在在不不具具有有对称称中中心心的的晶晶体体内内才才可可能能发生生 只有只有结构上没有构上没有对称中心，才有可能称中心，才有可能产生生压电效效应 而而且且必必须是是：：电介介质（（或或至至少少具具有有半半导体体性性质））；；其其结构构必必须有有带正正、、负电荷荷的的质点点------离离子子或或离离子子团存存在在（（离离子子晶晶体或离子体或离子团组成的分子晶体）成的分子晶体）常用：常用： αα石英晶体，石英晶体，钛酸酸钡，，钛酸酸铅，，铋酸酸钼等等3. 3. 压电材料主要的表征参数材料主要的表征参数（（1 1）机）机电耦合系数耦合系数（（2 2）机械品）机械品质因数因数（（3 3））压电常数常数（（4 4））弹性模量、相性模量、相对介介电常数、居里温度等。

常数、居里温度等机机电耦合系数耦合系数K K：：表征表征压电材料的机械能与材料的机械能与电能之能之间的耦合关系，它的定的耦合关系，它的定义是是通过逆压电效应转换的机械能储入的电能总量K2= ———————————————储入的机械能总量通过压电效应转换的电能K2=———————————————由于由于压电振子的机械能与振子的形状和振振子的机械能与振子的形状和振动模式有关，因此模式有关，因此对不同的模式不同的模式有不同的耦合系数：有不同的耦合系数： 机机电耦合系数越大越好耦合系数越大越好，国内，国内K Kp p可以从可以从0.10.1到到0.650.65 机械品机械品质因数因数QmQm：：用来描述用来描述压电振子在振子在谐振振时的能量的能量损耗的压电振振子子谐波波时，，要要克克服服内内摩摩擦擦而而消消耗耗能能量量，，造造成成机机械械损耗耗，，Q Qm m就是用来描述就是用来描述这种种损耗的，它的定耗的，它的定义是是                         谐振时振子储存的机械能量Qm=2π———————————————————————                 谐振每周振子损耗的机械能量Q Qm m的的值越越大大，，说明明机机械械损耗耗越越小小，，材材料料的的品品质越越好好。

国国内内Q Qm m可从可从1010—17001700对于平面径向振于平面径向振动模式模式测出的出的Q Qm m，近似，近似计算式算式为,一般通一般通过传输线法法测出出 等后，由式子求出等后，由式子求出Q Qm m. . ，式中3 . 3 . 压电材料及其材料及其应用用钛酸酸钡钛酸酸铅锆酸酸铅钛锆酸酸铅非非钙钛矿型：型：      焦焦绿石、硫化石、硫化镉、氧化、氧化锌、氮化、氮化铝（（1 1）材料）材料钙钛矿型型种种类：：n压电晶体，如石英等；晶体，如石英等；n压电陶瓷，如陶瓷，如钛酸酸钡、、锆钛酸酸铅等；等；n压电半半导体，如硫化体，如硫化锌、碲化、碲化镉等 对压电材料特性要求：材料特性要求： ① ①转换性能要求具有性能要求具有较大大压电常数常数 ②②机机械械性性能能压电元元件件作作为受受力力元元件件，，希希望望它它的的机机械械强度度高高、、刚度大度大，以期，以期获得得宽的的线性范性范围和高的固有振和高的固有振动频率 ③③电性性能能希希望望具具有有高高电阻阻率率和和大大介介电常常数数，，以以减减弱弱外外部部分分布布电容的影响并容的影响并获得良好的低得良好的低频特性。

特性 ④④环境境适适应性性强温温度度和和湿湿度度稳定定性性要要好好，，要要求求具具有有较高高的的居里点，居里点，获得得较宽的工作温度范的工作温度范围 ⑤ ⑤时间稳定性要求定性要求压电性能不随性能不随时间变化         石石英英（（SiOSiO2 2））是是一一种种具具有有良良好好压电特特性性的的压电晶晶体体其其介介电常常数数和和压电系系数数的的温温度度稳定定性性相相当当好好，，在在常常温温范范围内内这两个参数几乎不随温度两个参数几乎不随温度变化 在在20℃20℃～～200℃200℃范范围内内，，温温度度每每升升高高1℃1℃，，压电系系数数仅减减少少0.0160.016％％但但是是当当到到573℃573℃时，，它它完完全全失失去去了了压电特特性性，，这就就是它的是它的居里点 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：斜率：－－0.016％％/℃t℃6543210100 200 300400 500 600t/℃相相对介介电常常数数ε居里点居里点     石石英英晶晶体体的的突突出出优点点是是性性能能非非常常稳定定，，机机械械强度度高高，，绝缘性性能能也也相相当当好好。

但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵，，且且压电系系数数比比压电陶陶瓷瓷低低得得多多因因此此一一般般仅用用于于标准准仪器或要求器或要求较高的高的传感器中 因因为石石英英是是一一种种各各向向异异性性晶晶体体，，因因此此，，按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片，，其其物物理理性性质（（如如弹性性、、压电效效应、、温温度度特特性性等等））相相差差很很大大为了了在在设计石石英英传感感器器时，，根据不同使用要求正确地根据不同使用要求正确地选择石英片的切型石英片的切型 压电陶瓷陶瓷 1 1、、  钛酸酸钡压电陶瓷陶瓷 钛酸酸钡（（BaTiOBaTiO3 3））是是由由碳碳酸酸钡（（BaCOBaCO3 3））和和二二氧氧化化钛（（TiOTiO2 2）按）按1 1：：1 1分子比例在高温下合成的分子比例在高温下合成的压电陶瓷 它它具具有有很很高高的的介介电常常数数和和较大大的的压电系系数数（（约为石石英英晶晶体体的的5050倍倍））不不足足之之处是是居居里里温温度度低低（（120℃120℃）），，温温度度稳定定性性和和机械机械强度不如石英晶体。

度不如石英晶体2 2、、  锆钛酸酸铅系系压电陶瓷（陶瓷（PZTPZT）） 锆钛酸酸铅是是由由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成成的的固固溶溶体体PbPb（（ZrZr、、TiTi））O O3 3它它与与钛酸酸钡相相比比，，压电系系数数更更大大，，居居里里温温度度在在300℃300℃以以上上，，各各项机机电参参数数受受温温度度影影响响小小，，时间稳定定性性好好此此外外，，在在锆钛酸酸中中添添加加一一种种或或两两种种其其它它微微量量元元素素（（如如铌、、锑、、锡、、锰、、钨等等））还可可以以获得得不不同同性性能能的的PZTPZT材材料料因因此此锆钛酸酸铅系系压电陶陶瓷瓷是是目目前前压电式式传感器中感器中应用最广泛的用最广泛的压电材料 压电半半导体材料体材料 如如ZnOZnO、、CdS CdS 、、CdTeCdTe，，这种力敏器件具有灵敏度高，响种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等短等优点此外用点此外用ZnOZnO作作为表面声波振表面声波振荡器的器的压电材材料，可料，可测取力和温度等参数取力和温度等参数压电聚合物聚合物 聚聚二二氟氟乙乙烯（（PVDFPVDF））是是目目前前发现的的压电效效应较强的的聚聚合合物物薄薄膜膜，，并并容容易易制制成成大大面面积压电元元件件。

这种种元元件件耐耐冲冲击、、不不易易破破碎碎、、稳定定性性好好、、频带宽为提提高高其其压电性性能能还可以可以掺入入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVDF(PVDF—PZT)PZT) （（2 2）） 应用用l电声器件中的声器件中的扬声器、送声器、送话器、拾声器等；器、拾声器等；l水下通水下通讯和探和探测的水声的水声换能器和能器和鱼群探群探测器等；器等；l雷达中的陶瓷表面波器件；雷达中的陶瓷表面波器件；l导航中的航中的压电加速度加速度计和和压电陀螺等；陀螺等；l通通讯设备中的陶瓷中的陶瓷滤波器、陶瓷波器、陶瓷鉴频器等；器等；l精密精密测量中的陶瓷量中的陶瓷压力力计、、压电流量流量计、、压电厚度厚度计等；等；l红外技外技术中的陶瓷中的陶瓷红外外热电探探测器；器；l超声探超声探伤、超声清洗、超声、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声像中的陶瓷超声换能器；能器；l高高压电源的陶瓷源的陶瓷变压器高高压引引线压电陶瓷点火器陶瓷点火器垫块外外壳壳冲冲击块V3.4.2 3.4.2 热释电性性       热释电效效应是是由由于于温温度度的的变化化而而引引起起晶晶体体表表面面极极化化改改变的的现象。

象 它它由由于于晶晶体体受受热膨膨胀而而引引起起正正负离离子子相相对位位移移，，从从而而导致致致致晶晶体体的的总电矩矩发生生改改变，，与与压电效效应相相类似似，，具具有有对称称中中心心的的晶晶体体不不会会具具有有热释电效效应晶晶体体在在均均匀匀受受热时的的膨膨胀（（或或均均匀匀冷冷却却时的的收收缩））是是在在各各个个方方向向上上同同时发生生的的，，并并且且在在相相互互对称称的的方方向向上上必必定定具具有有相相等等的的线膨膨胀系系数数值，，换句句话说，，在在这些些方方向向上上所所引引起起的的正正负电荷荷重重心心的的相相对位位移移也也都都是是相等的1.1.线性介性介质与非与非线性介性介质1 1））线性性介介质：：有有外外电场时，，介介质的的极极化化强度度与与宏宏观电场E E成正比，成正比，这类介介质又叫又叫线性介性介质 P= P=  o o  e eE E 极极化化是是介介质在在外外加加电场中中的的性性质没没有有外外加加电场时，，介介质的极化的极化强度等于零。

度等于零2 2））非非线性性介介质：：极极化化强度度和和外外施施电压的的关关系系是是非非线性性的的介介质，叫非，叫非线性介性介质（（钛酸酸钡等） 铁电体体就就是是一一种种典典型型的的非非线性性介介质 在在铁电体体中中存存在的极化机构在的极化机构——自自发极化3.5 3.5 铁电性性 广泛广泛应用的用的铁电材料有材料有钛酸酸钡（（BaTiO3BaTiO3）、）、钛酸酸铅、、锆酸酸铝等铁电陶瓷陶瓷应用最多的是用最多的是铁电陶瓷陶瓷电容器，容器，还可用于可用于制造制造压电元件、元件、热释电元件、元件、电光元件、光元件、电热器件等 n19201920年年 法法国国人人瓦瓦拉拉赛克克(Valasek) (Valasek) 罗息息盐即即酒酒石石酸酸钾钠(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 6·4H·4H2 2O)O)n2020世世纪5050年年代代以以来来 铁电体体种种类急急剧增增加加，，现已已达达到到200200多多种种早早年年是是科科学学家家实验室室中中的的珍珍品品，，被被当当作作研研究究结构相构相变的典型材料的典型材料。

n2020世世纪8080年年代代以以来来，，铁电体体作作为一一类新新型型功功能能材材料料而而崭露露头角1. 1. 电滞回滞回线和和铁电体体3.5.1 3.5.1 铁电体、体、电畴畴罗息盐:酒石酸钾钠-NaKC4H4O6• 4H2O其极化强度随外加电场的变化如右图所示形状，称为电滞回线把具有这种性质的晶体称为铁电体它是铁电态的一个标志同铁磁体具有磁滞回线一样，所以人们把这类晶体称作“铁电体”Ps: Ps: 饱和极化和极化强度度Pr: Pr: 剩余极化剩余极化强度度Ec: Ec: 矫顽电场Tc ：铁电体在一定温度以上，电滞回线消失，这个温度为居里温度罗息盐Tc为24℃产生生铁电性的原因性的原因—自自发极化极化l自自发极极化化：：自自发极极化化的的极极化化状状态并并非非由由外外电场所所造造成成，，而而是是由由晶晶体体的的内内部部结构构特特点点造造成成的的，，晶晶体体中中每每一一个个晶晶胞胞里里存在固有存在固有电耦极矩，耦极矩，这类晶体通常称晶体通常称为极性晶体极性晶体 从从电滞滞回回线可可以以看看到到铁电体体具具有有自自发极极化化，，而而且且这种种自自发极极化化的的电偶偶极极矩矩在在外外电常常作作用用下下可可以以改改变其其取取向向，，甚甚至至反反转。

在在同同一一外外电场作作用用，，极极化化强度度可可以以有有双双值，，表表现为电场E E的的双双值函函数数，，这正正是是铁电体体的的重重要要物物理理特特性性但但是是为什么会有什么会有电滞回滞回线？原因就是存在？原因就是存在电畴畴2. 2. 电畴畴电畴：畴：铁电体自体自发极化极化时能量升高，状能量升高，状态不不稳定，晶体定，晶体趋向于分成向于分成许多小区域，每个小多小区域，每个小区域区域电偶极子沿同一方向，不同小区域的偶极子沿同一方向，不同小区域的电偶极子方向不同，每个小区域偶极子方向不同，每个小区域为电畴畴壁：畴之畴壁：畴之间的的边界地区决定畴壁厚度的界地区决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的因素是各种能量平衡的结果 180180度，度，9090度度 ( (单晶体）晶体） 6060度，度， 120120度度 （斜方晶系）（斜方晶系） 7171度，度，109109度度 （菱形晶系）（菱形晶系） 铁电体体在在外外电场的的作作用用下下，，趋向向与与外外电场方方向向一一致致，，称称为“畴畴”转向向，，通通过新新畴畴的的出出现，，发展展和和畴畴壁壁移移动来来实现的的。

外外加加电场撤撤去去后后，，小小部部分分电畴畴偏离极化方向，恢复原位，大部分停留在新偏离极化方向，恢复原位，大部分停留在新转向的极化方向上，向的极化方向上，为剩余极化剩余极化 1.1. 设一一单晶晶体体的的极极化化强度度方方向向只只有有沿沿某某轴的的正正向向或或负向向二二种种可可能能在在没没有有外外电场时，，晶晶体体总电矩矩为零零( (能能量量最最低低) )加加上上外外电场后后，，沿沿电场方方向向的的电畴畴扩展展、、变大大，，而而与与电场方方向向反反向向的的电畴畴变小小这样极极化化强度度随随外外电场增增加加而而增加 2.2. 电场强度度继续增增大大，，电畴畴方方向向趋于于电场方向、形成一个方向、形成一个单畴，极化畴，极化强度达到度达到饱和 3.3. 如如再再增增加加电场，，则极极化化强度度P P与与电场E E成成线性性增增加加，，沿沿这线性性外外推推至至E E＝＝0 0处，，相相应的的PsPs值称称为饱和极化和极化强度，也就是自度，也就是自发极化极化强度 4.4. 若若电场强度度自自c c处下下降降，，晶晶体体极极化化强度度亦亦随随之之减减小小。

在在E E＝＝0 0时．．仍仍存存在极化在极化强度，就是度，就是剩余极化剩余极化强度度PrPr 5.5. 当反向当反向电场强度度为一一EcEc时( (图中中y y点点处) )，剩余极化，剩余极化强度度PrPr全部消失全部消失 6.6. 反反向向电场继续增增大大．．极极化化强度度才才开开始始反反向向，，直直到到反反向向极极化化到到饱和和达达图中中G G处EcEc称称为矫顽电场强度度3.5.2 铁电体的起源与晶体体的起源与晶体结构构l铁电体的起源与晶体体的起源与晶体结构：构： 自自发极极化化主主要要是是由由晶晶体体中中某某些些离离子子偏偏离离了了平平衡衡位位置置，，使使单位位晶晶胞胞中中出出现了了偶偶极极矩矩，，偶偶极极矩矩之之间的的相相互互作作用用使使偏偏离离平平衡衡位位置置的的离离子子在在新新的的位位置置上上稳定定下下来来，，同同时晶晶体体结构构发生生了了畸畸变BaTiO3120℃以上，立方晶系（a＝b＝c）120℃以下，四方晶系（              ）晶体结构的对称性下降离子位移理论（晶体中某些离子偏离了平衡位置）钛酸酸钡的的结构：构：钙钛矿型型结构构••••••••     °°•Ba2+ Ti4+°O2-120℃以上，立方晶系（a＝b＝c）立方晶系（大于立方晶系（大于120oC）） ：：            晶胞常数：晶胞常数：a=4.01Å            氧离子的半径：氧离子的半径：1.32Å            钛离子的半径：离子的半径：   0.64Å钛离子离子处于氧八面体中，于氧八面体中，两个氧离子两个氧离子间的空隙的空隙为：：4.01－－2× 1.32= 1.37Å钛离子的直径：离子的直径：2× 0.64= 1.28Å结果：果：氧八面体空腔体氧八面体空腔体积大于大于钛离子体离子体积，，给钛离子位移的余地。

离子位移的余地较高高温温度度时，，热振振动能能比比较大大，，钛离离子子难于于在在偏偏离离中中心心的的某某一一个个位位置置上上固固定定下下来来，，接接近近六六个个氧氧离离子子的的几几率率相相等等，，晶晶体体保保持持高高的的对称称性性，，自自发极化极化为零温温度度降降低低( (120 120 o oC C以以下下) )，，钛离离子子平平均均热振振动能能降降低低，，因因热涨落落，，热振振动能能特特别低低的的离离子子占占很很大大比比例例，，其其能能量量不不足足以以克克服服氧氧离离子子电场作作用用，，有有可可能能向向某某一一个个氧氧离离子子靠靠近近，，在在新新平平衡衡位位置置上上固固定定下下来来，，并并使使这一一氧氧离离子子出出现强烈烈极极化化，，发生生自自发极极化化（（产生生永永久久偶偶极极矩矩，，并并形形成成电畴畴）），，使使晶晶体体顺着着这个个方方向向延延长，，晶晶胞胞发生生轻微微畸畸变，，由由立立方方变为四方晶体四方晶体 ••••••••     °°钛、氧离子的位移、氧离子的位移固固有有偶偶极极子子自自发极化：极化：这种极化状种极化状态并非由外并非由外电场引起，而是由晶体的内引起，而是由晶体的内部部结构引起。

在构引起在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，矩，通常将通常将这类晶体称晶体称为极性晶体极性晶体一般介一般介电极化极化，是介，是介质在外在外电场作用下引起，没有外作用下引起，没有外电场，，这些介些介质的极化的极化强度度为0 03.5.33.5.3铁电体的体的应用用 1. 1. 由于有剩余极化由于有剩余极化强度，度，铁电体可用来作信息存体可用来作信息存储、、图象象显示可可用于用于仪器器仪表、工表、工业控制、家用控制、家用电器、复印机、打印机、机器、复印机、打印机、机顶盒、网盒、网络设备、游、游戏机、机、计算等 目目前前已已经研研制制出出一一些些透透明明铁电陶陶瓷瓷器器件件，，如如铁电存存储和和显示示器器件件、、光光阀，，全全息息照照相相器器件件等等，，就就是是利利用用外外加加电场使使铁电畴畴作作一一定定的的取取向向，，使使透透明明陶陶瓷瓷的的光光学学性性质变化化铁电体体在在光光记忆应用用方方面面也也已已受受到到重重视，，目目前前得得到到应用用的的是是掺镧的的锆钛酸酸铅（（PLZT)PLZT)透透明明铁电陶陶瓷瓷以以及及BiBi4 4TiTi3 3O O1212铁电薄薄膜。

膜 2. 2. 由于由于铁电体的极化随体的极化随E E而改而改变因而晶体的折射率也将随因而晶体的折射率也将随E E改改变 这种种由由于于外外电场引引起起晶晶体体折折射射率率的的变化化称称为电光光效效应利利用用晶晶体体的的电光光效效应可可制制作作光光调制制器器、、晶晶体体光光阀、、电光光开开关关等等光光器器件件目目前前应用用到到激激光技光技术中的晶体很多是中的晶体很多是铁电晶体，如晶体，如LaNbOLaNbO3 3，，LiTaOLiTaO3 3，，KTN(KTN(钽铌酸酸钾) )等3. 3. 像像BaTiO3BaTiO3一一类的的钙钛矿型型铁电体具有很高的介体具有很高的介电常数可以做成常数可以做成小体小体积大容量的陶瓷大容量的陶瓷电容器。