第八章 材料的壓電性能和鐵電性能

1、材料的壓電性能與鐵電性能材料的壓電性能與鐵電性能 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)18801880年發(fā)現(xiàn)鐵電年發(fā)現(xiàn)鐵電體體19201920年發(fā)現(xiàn)，鐵電體是重要的年發(fā)現(xiàn)，鐵電體是重要的功能材料功能材料 第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 影響材料壓電性與鐵電性的因素影響材料壓電性與鐵電性的因素 第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能一一 壓電效應(yīng)的基本原理壓電效應(yīng)的基本原理 1 壓電效應(yīng)基本概念壓電效應(yīng)基本概念 由機(jī)械應(yīng)力作用使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表由機(jī)械應(yīng)力作用使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體

2、表面電荷的現(xiàn)象面電荷的現(xiàn)象 2 壓電效應(yīng)基本原理壓電效應(yīng)基本原理 晶體不受外力作用，正、負(fù)電荷的中心重合，因而晶晶體不受外力作用，正、負(fù)電荷的中心重合，因而晶體表面無荷電體表面無荷電 對(duì)晶體施加機(jī)械力時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生因形變而導(dǎo)致的正、對(duì)晶體施加機(jī)械力時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生因形變而導(dǎo)致的正、負(fù)電荷中心不重合，引起晶體表面的荷電負(fù)電荷中心不重合，引起晶體表面的荷電 3 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 4 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 具有壓電效應(yīng)的晶體，電場(chǎng)的作用引起晶體內(nèi)部正負(fù)具有壓電效應(yīng)的晶體，電場(chǎng)的作用引起晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心的位移，導(dǎo)致晶體發(fā)生形變電荷中心的位移，導(dǎo)致晶體發(fā)生形變第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能 5 壓

3、電材料壓電材料 機(jī)電耦合效應(yīng)機(jī)電耦合效應(yīng)二二 壓電振子與壓電方程壓電振子與壓電方程1 壓電振子及其特征頻率壓電振子及其特征頻率（1）壓電振子的基本概念）壓電振子的基本概念 壓電振子固有振動(dòng)頻率壓電振子固有振動(dòng)頻率fr (2)最小阻抗頻率最小阻抗頻率fm 振子阻抗為最小的頻率振子阻抗為最小的頻率(3)最大阻抗頻率最大阻抗頻率fn 振子阻抗為最大的頻率振子阻抗為最大的頻率(4)有損耗的壓電振子等效有損耗的壓電振子等效電路圖電路圖 第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能(5) 特征頻率的含義特征頻率的含義第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能2 邊界條件邊界條件機(jī)械邊界條件：機(jī)械自由，機(jī)械夾持機(jī)械邊界條件：機(jī)械自由

4、，機(jī)械夾持 電學(xué)邊界條件：電學(xué)短路，電學(xué)開路電學(xué)邊界條件：電學(xué)短路，電學(xué)開路壓電振子共有四類邊界條件壓電振子共有四類邊界條件第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能三三 壓電性能的主要參數(shù)壓電性能的主要參數(shù)1 介電常數(shù)介電常數(shù) 反映材料的介電性質(zhì)（或極化性能）反映材料的介電性質(zhì)（或極化性能）2 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗 表征介電發(fā)熱導(dǎo)致的能量損耗表征介電發(fā)熱導(dǎo)致的能量損耗 3 彈性系數(shù)彈性系數(shù) 壓電體是一個(gè)彈性體，服從虎克定律壓電體是一個(gè)彈性體，服從虎克定律 4 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換系數(shù)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換系數(shù) 5 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù) 表征諧振時(shí)因

5、克服內(nèi)摩擦而消耗的能量表征諧振時(shí)因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量 6 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù) 表征機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換能力表征機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換能力1 1、壓電常數(shù)、壓電常數(shù)d d3333 壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。 當(dāng)沿壓電陶瓷的極化方向（當(dāng)沿壓電陶瓷的極化方向（z z軸）施加壓應(yīng)力軸）施加壓應(yīng)力T T3 3時(shí)，時(shí)，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式：在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)系式：3333TdD 式中式中d d3333為壓電常數(shù)，下標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字指電

6、場(chǎng)方為壓電常數(shù)，下標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向；向；T T3 3為應(yīng)力；為應(yīng)力；D D3 3為電位移。為電位移。 它是壓電介質(zhì)把機(jī)械能（或電能）轉(zhuǎn)換為電能（或機(jī)械能）的比例常數(shù)，反映了應(yīng)力（T）、應(yīng)變（S）、電場(chǎng)（E）或電位移（D）之間的聯(lián)系，直接反映了材料機(jī)電性能的耦合關(guān)系和壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱，從而引出了壓電方程。常見的壓電常數(shù)有四種：dij、gij、 eij、 hij。2 2、機(jī)電耦合系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)K Kp p 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K K是一個(gè)綜合反映壓電陶瓷的機(jī)械能與電能之間耦是一個(gè)綜合反映壓電陶

7、瓷的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)合關(guān)系的物理量，是壓電材料進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。電能量轉(zhuǎn)換能力的反映。機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：機(jī)電耦合系數(shù)的定義是：轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總電能得的機(jī)械能通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總機(jī)械能得的電能通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K或或 壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶壓電陶瓷振子（具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有瓷體）的機(jī)械能與其形狀和振動(dòng)模式有關(guān)，不同的振動(dòng)模式將有相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。相應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)。如對(duì)薄圓片徑向伸縮模式的耦合系數(shù)為如對(duì)薄圓片徑向伸縮模式

8、的耦合系數(shù)為K Kp p（平面耦合系數(shù)）；（平面耦合系數(shù)）；薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮模式的耦合系數(shù)為薄形長(zhǎng)片長(zhǎng)度伸縮模式的耦合系數(shù)為K K3131（橫向耦合系數(shù)）；（橫向耦合系數(shù)）；圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K K3333（縱向耦合系數(shù)）等。（縱向耦合系數(shù)）等。 它是壓電材料進(jìn)行機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換的能力反映。它與材料的壓電常數(shù)、介電常數(shù)和彈性常數(shù)等參數(shù)有關(guān)，是一個(gè)比較綜合性的參數(shù)。其值總是小于1。3 3、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m 壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)因數(shù)Q Qm m是

9、反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。是反映能量消耗大小的一個(gè)參數(shù)。Q Qm m越大，能量消耗越小。機(jī)越大，能量消耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m的定義式是：的定義式是：耗的機(jī)械能每一諧振周期振子所消能諧振時(shí)振子儲(chǔ)存的機(jī)械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率fa為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率R為諧振頻率時(shí)的最小阻抗為諧振頻率時(shí)的最小阻抗Zmin（諧振電阻（諧振電阻）C0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容C1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容4 4、頻率常數(shù)、頻率常數(shù)N N 對(duì)某一壓電振子，其對(duì)某一壓電振子

10、，其諧振頻率諧振頻率和振子振動(dòng)方向和振子振動(dòng)方向長(zhǎng)度長(zhǎng)度的乘積為一個(gè)常數(shù)，即的乘積為一個(gè)常數(shù)，即頻率常數(shù)頻率常數(shù)。N=frl其中：其中：f fr r為壓電振子的諧振頻率；為壓電振子的諧振頻率；l l為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。為壓電振子振動(dòng)方向的長(zhǎng)度。薄圓片徑向振動(dòng)薄圓片徑向振動(dòng)Np=frD薄板厚度伸縮振動(dòng)薄板厚度伸縮振動(dòng)Nt=frt細(xì)長(zhǎng)棒細(xì)長(zhǎng)棒K33振動(dòng)振動(dòng)N33=frl薄板切變薄板切變K15振動(dòng)振動(dòng)N15=frltD為圓片的直徑為圓片的直徑t為薄板的厚度為薄板的厚度l為棒的長(zhǎng)度為棒的長(zhǎng)度lt為薄板的厚度為薄板的厚度第一節(jié)第一節(jié) 壓電性能壓電性能 四四 壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用1日常生活應(yīng)

11、用日常生活應(yīng)用 煤氣爐、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的壓電點(diǎn)火器電子手表煤氣爐、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的壓電點(diǎn)火器電子手表所用的壓電諧振器，聲控門、報(bào)警器，驗(yàn)證個(gè)人筆跡所用的壓電諧振器，聲控門、報(bào)警器，驗(yàn)證個(gè)人筆跡和聲音特征的壓電力敏傳感器等和聲音特征的壓電力敏傳感器等 2電子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用電子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用 信號(hào)處理器、存貯顯示器、信號(hào)發(fā)生器及各類計(jì)量測(cè)信號(hào)處理器、存貯顯示器、信號(hào)發(fā)生器及各類計(jì)量測(cè)試元件等試元件等3高靈敏度、高可靠性的傳感器高靈敏度、高可靠性的傳感器 壓電力敏、聲敏、熱敏、光敏、濕敏和氣敏等傳感器壓電力敏、聲敏、熱敏、光敏、濕敏和氣敏等傳感器第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能一一 自發(fā)極

12、化及其微觀機(jī)制自發(fā)極化及其微觀機(jī)制 1自發(fā)極化自發(fā)極化 極化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)產(chǎn)生的極化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)產(chǎn)生的 晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，晶胞的固有偶極矩會(huì)沿晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，晶胞的固有偶極矩會(huì)沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài) 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)度決于自發(fā)極化強(qiáng)度 2局部電場(chǎng)形成的基本原理局部電場(chǎng)形成的基本原理 偶極子起源于電荷為偶極子起源于電荷為q的一種的一種A離子在晶格中的位移，離子在晶格中的位移，則極化起因于晶格中所有的則極化起因

13、于晶格中所有的A離子作相同的位移，對(duì)離子作相同的位移，對(duì)于任何一個(gè)單個(gè)的于任何一個(gè)單個(gè)的A離子，即使無外場(chǎng)作用，也有來離子，即使無外場(chǎng)作用，也有來自周圍極化自周圍極化P所產(chǎn)生的局部電場(chǎng)所產(chǎn)生的局部電場(chǎng) 3熱釋電效應(yīng)和壓電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)和壓電效應(yīng) 束縛在表面的自由電荷層有一部分可恢復(fù)自由釋放出束縛在表面的自由電荷層有一部分可恢復(fù)自由釋放出來，使晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流來，使晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能二晶體的熱釋電效應(yīng)二晶體的熱釋電效應(yīng)1 熱釋電效應(yīng)及其產(chǎn)生條件熱釋電效應(yīng)及其產(chǎn)生條件 （1）熱釋電效應(yīng)）熱釋電效應(yīng) 晶體因溫

14、度均勻變化而發(fā)生極化強(qiáng)度改變晶體因溫度均勻變化而發(fā)生極化強(qiáng)度改變（2）熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生條件）熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生條件 一定是具有自發(fā)極化一定是具有自發(fā)極化(固有極化固有極化)的晶體的晶體 晶體結(jié)構(gòu)的極軸與結(jié)晶學(xué)的單向重合晶體結(jié)構(gòu)的極軸與結(jié)晶學(xué)的單向重合 具有對(duì)稱中心的晶體不可能有熱釋電效應(yīng)具有對(duì)稱中心的晶體不可能有熱釋電效應(yīng) 有壓電性的晶體不一有熱釋電性有壓電性的晶體不一有熱釋電性 2 熱釋電性能表征熱釋電性能表征（1）熱釋電系數(shù)）熱釋電系數(shù) 表示熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱表示熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱 與晶體所處狀態(tài)有關(guān)與晶體所處狀態(tài)有關(guān) 第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能（2）逆熱釋電效應(yīng)或電生熱效應(yīng)）逆

15、熱釋電效應(yīng)或電生熱效應(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（3）熱釋電紅外敏感元件）熱釋電紅外敏感元件 能充分吸收入射的紅外線能充分吸收入射的紅外線 熱釋電材料比熱應(yīng)小，且方便加工成薄膜化元件熱釋電材料比熱應(yīng)小，且方便加工成薄膜化元件 3 熱釋電材料熱釋電材料 PbTi03和和PZT陶瓷、硫酸三甘肽陶瓷、硫酸三甘肽TGS和和LiTiO3單晶單晶 用于非接觸測(cè)量旋轉(zhuǎn)體和高溫體的溫度用于非接觸測(cè)量旋轉(zhuǎn)體和高溫體的溫度 三晶體的鐵電性三晶體的鐵電性 1 鐵電體的特性鐵電體的特性 （1）鐵電性的基本概念）鐵電性的基本概念 晶體具有自發(fā)極化，且自發(fā)極

16、化有兩個(gè)或多個(gè)可能的晶體具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，在電場(chǎng)作用下其取向可以隨電場(chǎng)改變?nèi)∠颍陔妶?chǎng)作用下其取向可以隨電場(chǎng)改變 第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能（2）鐵電體的共同特性）鐵電體的共同特性 具有電滯回線具有電滯回線 具有結(jié)構(gòu)相變溫度，即居里點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)相變溫度，即居里點(diǎn) 具有臨界特性具有臨界特性（3）電滯回線）電滯回線 鐵電體的極化強(qiáng)度鐵電體的極化強(qiáng)度P與外加電場(chǎng)與外加電場(chǎng)E之間呈非線性關(guān)系，且極化強(qiáng)之間呈非線性關(guān)系，且極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)反向而反向極化度隨外電場(chǎng)反向而反向極化強(qiáng)度的反向源于鐵電體內(nèi)部存強(qiáng)度的反向源于鐵電體內(nèi)部存在的電疇反轉(zhuǎn)在的電疇反轉(zhuǎn) 第二

17、節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能 當(dāng)外電場(chǎng)增加時(shí)，與電場(chǎng)同向的電疇則逐漸擴(kuò)大，鐵當(dāng)外電場(chǎng)增加時(shí)，與電場(chǎng)同向的電疇則逐漸擴(kuò)大，鐵電體在外場(chǎng)方向的極化強(qiáng)度隨電場(chǎng)增加而增加（電體在外場(chǎng)方向的極化強(qiáng)度隨電場(chǎng)增加而增加（OA段）段）當(dāng)電場(chǎng)增大到所有反向電疇均反轉(zhuǎn)到外場(chǎng)方向時(shí)，晶當(dāng)電場(chǎng)增大到所有反向電疇均反轉(zhuǎn)到外場(chǎng)方向時(shí)，晶體變成單疇體，晶體的極化達(dá)到飽和（體變成單疇體，晶體的極化達(dá)到飽和（C附近），電附近），電場(chǎng)再增加，極化強(qiáng)度將隨電場(chǎng)線性增加，達(dá)到最大值場(chǎng)再增加，極化強(qiáng)度將隨電場(chǎng)線性增加，達(dá)到最大值 Pmax, 將線性部分外推到電場(chǎng)為零時(shí)，在縱軸上的截距將線性部分外推到電場(chǎng)為零時(shí)，在縱軸上的

18、截距Ps稱為飽和極化強(qiáng)度，是每個(gè)電疇原來所具有的自發(fā)稱為飽和極化強(qiáng)度，是每個(gè)電疇原來所具有的自發(fā)極化強(qiáng)度當(dāng)電場(chǎng)極化強(qiáng)度當(dāng)電場(chǎng)C處開始減小時(shí)，極化強(qiáng)度將沿處開始減小時(shí)，極化強(qiáng)度將沿CB曲線逐漸下降曲線逐漸下降E=0，極化強(qiáng)度下降到某一數(shù)值，極化強(qiáng)度下降到某一數(shù)值Pr，稱為鐵電體的剩余極化強(qiáng)度稱為鐵電體的剩余極化強(qiáng)度 改變電場(chǎng)方向，沿負(fù)方向增加到改變電場(chǎng)方向，沿負(fù)方向增加到Ec時(shí)，時(shí)，P降至零，反降至零，反向電場(chǎng)再繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度反向，向電場(chǎng)再繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度反向，Ec稱為鐵電體的稱為鐵電體的矯頑場(chǎng)強(qiáng)隨著反向電場(chǎng)的繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度沿負(fù)矯頑場(chǎng)強(qiáng)隨著反向電場(chǎng)的繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度沿負(fù)方向繼續(xù)增加，

19、并達(dá)到負(fù)方向的飽和值方向繼續(xù)增加，并達(dá)到負(fù)方向的飽和值(-Ps)，整個(gè)晶，整個(gè)晶體變?yōu)樨?fù)向極化的單疇晶體體變?yōu)樨?fù)向極化的單疇晶體. 第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能 當(dāng)電場(chǎng)由高的負(fù)值變化到高的正值時(shí)，正向電疇又開當(dāng)電場(chǎng)由高的負(fù)值變化到高的正值時(shí)，正向電疇又開始形成并生長(zhǎng)，直至整個(gè)晶體再一次變成具有正向極始形成并生長(zhǎng)，直至整個(gè)晶體再一次變成具有正向極化的單疇晶體，極化強(qiáng)度沿曲線化的單疇晶體，極化強(qiáng)度沿曲線FGH回到回到C點(diǎn)點(diǎn) 自發(fā)極化強(qiáng)度自發(fā)極化強(qiáng)度Ps 矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度Ec（4）居里溫度）居里溫度Tc 溫度達(dá)到某一溫度以上時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，偶極子從溫度達(dá)到某一溫度以上時(shí)，

20、熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，偶極子從電場(chǎng)的束縛中解放出來，使自由能電場(chǎng)的束縛中解放出來，使自由能G下降下降 TTc 自發(fā)極化為零，非鐵電相或順電相自發(fā)極化為零，非鐵電相或順電相 T Tc 存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相 居里點(diǎn)居里點(diǎn) 當(dāng)晶體存在兩個(gè)或多個(gè)鐵電相時(shí)，只有順電當(dāng)晶體存在兩個(gè)或多個(gè)鐵電相時(shí)，只有順電鐵電相鐵電相變溫度變溫度第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能 相變溫度或過渡溫度相變溫度或過渡溫度 晶體從一個(gè)鐵電相到另一個(gè)鐵電相的轉(zhuǎn)變溫度晶體從一個(gè)鐵電相到另一個(gè)鐵電相的轉(zhuǎn)變溫度 上、下鐵電居里溫度上、下鐵電居里溫度Tc 有的晶體在一溫度區(qū)間內(nèi)為

21、鐵電相，這類晶體有上下有的晶體在一溫度區(qū)間內(nèi)為鐵電相，這類晶體有上下兩個(gè)鐵電居里溫度兩個(gè)鐵電居里溫度Tc 高溫的順電相總是對(duì)稱性較高的結(jié)構(gòu)，稱為鐵電體的高溫的順電相總是對(duì)稱性較高的結(jié)構(gòu)，稱為鐵電體的原型結(jié)構(gòu)，隨著溫度的降低，某些對(duì)稱要素消失，晶原型結(jié)構(gòu)，隨著溫度的降低，某些對(duì)稱要素消失，晶體可能轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相，晶體的鐵電相是某種原型結(jié)構(gòu)體可能轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相，晶體的鐵電相是某種原型結(jié)構(gòu)對(duì)稱性發(fā)生逐次遞降而形成的亞群對(duì)稱性發(fā)生逐次遞降而形成的亞群 (5)臨界特性臨界特性 晶體在相變點(diǎn)附近所發(fā)生的各種性能反常變化晶體在相變點(diǎn)附近所發(fā)生的各種性能反常變化 介電性質(zhì)、壓電性、彈性、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)介電性質(zhì)

22、、壓電性、彈性、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能 鐵電晶體在發(fā)生順電鐵電晶體在發(fā)生順電鐵電相變時(shí)，鐵電相變時(shí)，最重要的是材料介電性能的變化遵最重要的是材料介電性能的變化遵循循居里居里外斯定律外斯定律： 2 鐵電疇鐵電疇 （1）電疇的基本概念）電疇的基本概念 自發(fā)極化相同的小區(qū)域自發(fā)極化相同的小區(qū)域 產(chǎn)生電滯回線原因：鐵電體是由鐵電疇組成的產(chǎn)生電滯回線原因：鐵電體是由鐵電疇組成的 疇壁的厚度很薄，僅有幾個(gè)晶胞的尺寸疇壁的厚度很薄，僅有幾個(gè)晶胞的尺寸 鐵電體通常是多電疇體鐵電體通常是多電疇體 （2）電疇的取向）電疇的取向 電疇只能沿幾個(gè)特定的方向取向電疇只能沿幾個(gè)特

23、定的方向取向 自發(fā)應(yīng)變自發(fā)應(yīng)變 電疇壁的取向必須保證相鄰電疇在疇壁各方向上所電疇壁的取向必須保證相鄰電疇在疇壁各方向上所產(chǎn)生的自發(fā)應(yīng)變能夠相容產(chǎn)生的自發(fā)應(yīng)變能夠相容第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能 3 鐵電體的鐵電體的電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng) 電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng) 介電體在電場(chǎng)作用下，由誘導(dǎo)極化而引起的形變介電體在電場(chǎng)作用下，由誘導(dǎo)極化而引起的形變 應(yīng)變與極化強(qiáng)度的平方成正比，是一種平方效應(yīng)應(yīng)變與極化強(qiáng)度的平方成正比，是一種平方效應(yīng) 電致伸縮效應(yīng)的形變與外電場(chǎng)的方向無關(guān)電致伸縮效應(yīng)的形變與外電場(chǎng)的方向無關(guān) 逆壓電效應(yīng)只產(chǎn)生于壓電體，形變與外電場(chǎng)呈線性逆壓電效應(yīng)只產(chǎn)生于壓電體，

24、形變與外電場(chǎng)呈線性關(guān)系，而且隨外電場(chǎng)反向而改變符號(hào)關(guān)系，而且隨外電場(chǎng)反向而改變符號(hào) 電致伸縮效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)有著明顯的差異電致伸縮效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)有著明顯的差異 第二節(jié)第二節(jié) 熱釋電與鐵電性能熱釋電與鐵電性能4 鐵電、熱釋電、壓電、介鐵電、熱釋電、壓電、介電晶體之間的關(guān)系電晶體之間的關(guān)系 晶體按幾何結(jié)構(gòu)分為晶體按幾何結(jié)構(gòu)分為7個(gè)個(gè)晶系：三斜、單斜、正交、晶系：三斜、單斜、正交、四方、三角、六角和立方四方、三角、六角和立方晶系晶系 具有鐵電性的晶體必具具有鐵電性的晶體必具有熱釋電性和壓電性有熱釋電性和壓電性 具有熱釋電性的晶體必具有熱釋電性的晶體必具有壓電性，不一定具有具有壓電性，不一定具有鐵電

25、性鐵電性 壓電體、熱釋電體和鐵壓電體、熱釋電體和鐵電體均同于介電質(zhì)晶體電體均同于介電質(zhì)晶體 第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 前言前言 透明鐵電陶瓷的應(yīng)用：透明鐵電陶瓷的應(yīng)用： 激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、全息存貯與顯示以及光電激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、全息存貯與顯示以及光電子學(xué)子學(xué) 電光效應(yīng)的應(yīng)用是以電控雙折射和電控散射效應(yīng)的電光效應(yīng)的應(yīng)用是以電控雙折射和電控散射效應(yīng)的形式來實(shí)現(xiàn)的形式來實(shí)現(xiàn)的 光學(xué)性質(zhì)與晶粒尺寸密切相關(guān)：光學(xué)性質(zhì)與晶粒尺寸密切相關(guān)： 粗晶粒陶瓷粗晶粒陶瓷(晶粒尺寸大于晶粒尺寸大于23m ）是電控散射）是電控散射 細(xì)晶粒陶瓷電控雙折射細(xì)晶粒陶瓷電控雙折

26、射第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用一一 電控雙折射效應(yīng)電控雙折射效應(yīng)1 電控雙折射原理電控雙折射原理 極化后的細(xì)晶極化后的細(xì)晶(晶粒大小約晶粒大小約1一一2m)透明鐵電陶瓷，光透明鐵電陶瓷，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)，會(huì)產(chǎn)生雙折射光束會(huì)被分解為兩束偏振向傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射光束會(huì)被分解為兩束偏振光光o光和光和e光，則有效雙折射率光，則有效雙折射率nneno透透明鐵電陶瓷為負(fù)單軸晶，明鐵電陶瓷為負(fù)單軸晶，n0，且，且n與陶瓷的剩與陶瓷的剩余極化強(qiáng)度余極化強(qiáng)度Pr有關(guān)，也與外加電場(chǎng)有關(guān)有關(guān)，也

27、與外加電場(chǎng)有關(guān) 2 電控雙折射電控雙折射 細(xì)晶透明鐵電陶瓷的有效雙折射率可通過改變剩余極細(xì)晶透明鐵電陶瓷的有效雙折射率可通過改變剩余極化強(qiáng)度化強(qiáng)度Pr和外加電場(chǎng)和外加電場(chǎng)E進(jìn)行控制進(jìn)行控制第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 二二 電控光散射效應(yīng)電控光散射效應(yīng) 在粗晶粒透明鐵電陶瓷中，透射光是以一定的角度分在粗晶粒透明鐵電陶瓷中，透射光是以一定的角度分布向后散射的，而且此角度分布依賴于陶瓷極化軸的布向后散射的，而且此角度分布依賴于陶瓷極化軸的取向，或剩余極化的方向取向，或剩余極化的方向 當(dāng)施加外電場(chǎng)改變陶瓷極化軸取向時(shí)，就可以改變散當(dāng)施加外電場(chǎng)改變陶瓷極化軸取向時(shí)

28、，就可以改變散射光強(qiáng)度的角分布射光強(qiáng)度的角分布 當(dāng)入射光傳播方向與極化強(qiáng)度平行時(shí)，光線大部分集當(dāng)入射光傳播方向與極化強(qiáng)度平行時(shí)，光線大部分集中于中于2以內(nèi)以內(nèi)第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 光線傳播方向與極化強(qiáng)度垂直時(shí)，光強(qiáng)的峰值移到光線傳播方向與極化強(qiáng)度垂直時(shí)，光強(qiáng)的峰值移到15左右，而左右，而2以內(nèi)只有很小一部分光以內(nèi)只有很小一部分光 高質(zhì)量的高質(zhì)量的PLZT透明鐵電陶瓷透明鐵電陶瓷SP時(shí)，進(jìn)入檢測(cè)器的時(shí)，進(jìn)入檢測(cè)器的相對(duì)光強(qiáng)比相對(duì)光強(qiáng)比SP時(shí)進(jìn)入檢測(cè)器的相對(duì)光強(qiáng)峰值相差約時(shí)進(jìn)入檢測(cè)器的相對(duì)光強(qiáng)峰值相差約兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上 PLZT透明鐵電陶瓷

29、制成雙穩(wěn)態(tài)光閘、二進(jìn)位存貯器透明鐵電陶瓷制成雙穩(wěn)態(tài)光閘、二進(jìn)位存貯器和顯示器等和顯示器等 三三 PLZT陶瓷的各種電光性能及應(yīng)用陶瓷的各種電光性能及應(yīng)用 La置換將降低置換將降低PLZT材料的鐵電材料的鐵電非鐵電轉(zhuǎn)變溫度非鐵電轉(zhuǎn)變溫度 當(dāng)當(dāng)x(PbZr03)x(PbTiO3)6535時(shí)，時(shí)，x9的的La足足以使鐵電相的穩(wěn)定區(qū)域降低到室溫以下以使鐵電相的穩(wěn)定區(qū)域降低到室溫以下 SFE區(qū)是彌散型亞穩(wěn)定鐵電相區(qū)在此區(qū)域內(nèi)的區(qū)是彌散型亞穩(wěn)定鐵電相區(qū)在此區(qū)域內(nèi)的PLZT組成能以足夠強(qiáng)的電場(chǎng)進(jìn)行電誘相變，并表現(xiàn)有組成能以足夠強(qiáng)的電場(chǎng)進(jìn)行電誘相變，并表現(xiàn)有弛豫特性弛豫特性 第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及

30、其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 1 電光行為分區(qū)電光行為分區(qū) (1)二次電光效應(yīng)區(qū)：處于鐵電和順電的相界，在二次電光效應(yīng)區(qū)：處于鐵電和順電的相界，在SFE區(qū)，組成有區(qū)，組成有8.8/65/35、9/65/35、8/70/30 (2)記憶效應(yīng)區(qū)：具有電驅(qū)動(dòng)光開關(guān)效應(yīng)，處于記憶效應(yīng)區(qū)：具有電驅(qū)動(dòng)光開關(guān)效應(yīng)，處于FERh斜斜方鐵電相區(qū)，組成有方鐵電相區(qū)，組成有7/65/35和和8/65/35 (3)一次電光效應(yīng)區(qū)：處于一次電光效應(yīng)區(qū)：處于FEt e t四方鐵電相區(qū)，四方鐵電相區(qū)，12/40/60和和8/10/90 2 電性能電性能 具有鐵電體具有鐵電體(或反鐵電體或反鐵電體)的特性的特性 PLZT

31、陶瓷的介電性能陶瓷的介電性能 具有高的介電常數(shù)具有高的介電常數(shù)(500一一800)；低到中等的介電低到中等的介電損耗；損耗；高的電阻率；高的電阻率；中等的耐擊穿強(qiáng)度中等的耐擊穿強(qiáng)度(約約100kvcm)；不同的組成具有不同特性不同的組成具有不同特性(FE、AFE、SFE)的電滯回線的電滯回線 第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 3 光性能光性能 突出的特點(diǎn)是高透明突出的特點(diǎn)是高透明度，透明度的高低除度，透明度的高低除了工藝因素外與組了工藝因素外與組成中成中La的含量和的含量和x(Zr)x(Ti)的比值有關(guān)的比值有關(guān) 沿著沿著FE(鐵電相鐵電相)PE相界的組成具有

32、最相界的組成具有最大透明度大透明度 材料對(duì)紫外光具有極材料對(duì)紫外光具有極大的吸收能力大的吸收能力,對(duì)可見對(duì)可見光及紅外線是透明的光及紅外線是透明的 PLZT陶瓷的折射率很陶瓷的折射率很高高n=2.5，具有高達(dá)，具有高達(dá)31的表面反射損失的表面反射損失第三節(jié)第三節(jié) 鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用鐵電材料的電光效應(yīng)及其應(yīng)用 4 電光性能電光性能 最常用的電光模式有：最常用的電光模式有： 非記憶、二次雙折射非記憶、二次雙折射 非記憶、二次去極化非記憶、二次去極化 記憶、線性雙折射記憶、線性雙折射 記憶雙折射記憶雙折射 記憶散射記憶散射 前前2種用的是纖細(xì)回線種用的是纖細(xì)回線(SFE)材料材料 后后3種用

33、的是記憶性材料（有電滯回線種用的是記憶性材料（有電滯回線 ） 5 應(yīng)用應(yīng)用 在軍事上和工業(yè)中護(hù)目鏡在軍事上和工業(yè)中護(hù)目鏡 用作記錄的線性光閥陣列用作記錄的線性光閥陣列 目前正發(fā)展的有光調(diào)制器、濾色器和顯示器等目前正發(fā)展的有光調(diào)制器、濾色器和顯示器等 PLZT、PZT、PLT等電光薄膜等電光薄膜 第四節(jié)第四節(jié) 影響材料壓電性及鐵電性的因素影響材料壓電性及鐵電性的因素 材料的化學(xué)成分、晶粒間界及預(yù)極化條件等材料的化學(xué)成分、晶粒間界及預(yù)極化條件等 一一 化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 1 壓電陶瓷的組成壓電陶瓷的組成 性能最好的壓電陶瓷是以性能最好的壓電陶瓷是以Pb(ZrxTi1-xO3)(PZT)為

34、基的為基的二元系材料以及包括二元系材料以及包括PZT的三元系材料具有高的壓的三元系材料具有高的壓電耦合系數(shù)及其電學(xué)和光學(xué)特性的有效組合電耦合系數(shù)及其電學(xué)和光學(xué)特性的有效組合 室溫下，當(dāng)室溫下，當(dāng)x0.94時(shí)，材料是鐵電體在富時(shí)，材料是鐵電體在富Ti組成區(qū)組成區(qū)(0 x0.52)屬于四方結(jié)構(gòu)；在富屬于四方結(jié)構(gòu)；在富Zr區(qū)區(qū)(0.52x0.94)是三方結(jié)構(gòu)，在是三方結(jié)構(gòu)，在x(Zr)x(Ti)5347附近存在一條鐵附近存在一條鐵電四方相和鐵電三方相的多形相界結(jié)構(gòu)比較松馳，電四方相和鐵電三方相的多形相界結(jié)構(gòu)比較松馳，兩相具有相近的自由能，自由能差對(duì)溫度變化不敏感兩相具有相近的自由能，自由能差對(duì)溫度變

35、化不敏感 相界附近的材料具有優(yōu)良的壓電、介電和熱釋電性能相界附近的材料具有優(yōu)良的壓電、介電和熱釋電性能 第四節(jié)第四節(jié) 影響材料壓電性及鐵電性的因素影響材料壓電性及鐵電性的因素 2 相界區(qū)的材料特性相界區(qū)的材料特性 在外電場(chǎng)或外力作用下，有利于在外電場(chǎng)或外力作用下，有利于Ti、Zr和和O離子位移，離子位移，使自發(fā)極化使自發(fā)極化Ps容易轉(zhuǎn)向，從而使兩相中容易轉(zhuǎn)向，從而使兩相中Ps和電場(chǎng)方向和電場(chǎng)方向一致的相體積不斷增大，產(chǎn)生大的極化強(qiáng)度，介電常一致的相體積不斷增大，產(chǎn)生大的極化強(qiáng)度，介電常數(shù)在相界附近出現(xiàn)峰值數(shù)在相界附近出現(xiàn)峰值 3 摻雜改性的原理摻雜改性的原理 引起晶格畸變，有利于晶胞自發(fā)極化的

36、轉(zhuǎn)向；或者造引起晶格畸變，有利于晶胞自發(fā)極化的轉(zhuǎn)向；或者造成成O離子缺位增加，增加電疇運(yùn)動(dòng)的阻力；或者形成離子缺位增加，增加電疇運(yùn)動(dòng)的阻力；或者形成Pb離子空位，促進(jìn)疇界的運(yùn)動(dòng)離子空位，促進(jìn)疇界的運(yùn)動(dòng) 4 摻雜改性摻雜改性 摻入等價(jià)離子取代摻入等價(jià)離子取代Pb離子可使居里溫度離子可使居里溫度Tc降低，介降低，介電常數(shù)增大，壓電系數(shù)、密度有所增加電常數(shù)增大，壓電系數(shù)、密度有所增加 摻入低價(jià)離子置換部分摻入低價(jià)離子置換部分Pb離子，介電系數(shù)降低，損耗、離子，介電系數(shù)降低，損耗、電阻率、壓電系數(shù)下降，矯頑力提高電阻率、壓電系數(shù)下降，矯頑力提高 摻入高價(jià)離子使介電系數(shù)、介電及聲學(xué)損耗、電阻率摻入高價(jià)離

37、子使介電系數(shù)、介電及聲學(xué)損耗、電阻率增大矯頑力降低，抗老化性能改善，燒結(jié)溫度降低增大矯頑力降低，抗老化性能改善，燒結(jié)溫度降低第四節(jié)第四節(jié) 影響材料壓電性及鐵電性的因素影響材料壓電性及鐵電性的因素二二 晶粒間界的影響晶粒間界的影響 1 陶瓷的鐵電性能與晶粒尺寸關(guān)系陶瓷的鐵電性能與晶粒尺寸關(guān)系 在小晶粒陶瓷中，晶界往往支配其介電行為。若相鄰在小晶粒陶瓷中，晶界往往支配其介電行為。若相鄰晶粒內(nèi)的極化不平行，則交界面處極化的非零散度將晶粒內(nèi)的極化不平行，則交界面處極化的非零散度將產(chǎn)生退極化場(chǎng)在平衡條件下，退極化場(chǎng)均可被界面產(chǎn)生退極化場(chǎng)在平衡條件下，退極化場(chǎng)均可被界面的自由電荷抵消的自由電荷抵消 在最小

38、的晶粒中，不能在外場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)電疇反轉(zhuǎn)在最小的晶粒中，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)是可能的在中等尺寸的晶粒中電疇反轉(zhuǎn)是可能的 在最大晶粒時(shí)，體積鐵電行為起決定性的作用在最大晶粒時(shí)，體積鐵電行為起決定性的作用 陶瓷的晶粒尺寸可在制備過程中，通過改變燒結(jié)溫度、陶瓷的晶粒尺寸可在制備過程中，通過改變燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛、保溫時(shí)間和材料成分加以控制燒結(jié)氣氛、保溫時(shí)間和材料成分加以控制 第四節(jié)第四節(jié) 影響材料壓電性及鐵電性的因素影響材料壓電性及鐵電性的因素 2 半導(dǎo)體陶瓷晶粒影響半導(dǎo)體陶瓷晶粒影響 自由載流子與帶電的晶粒間界相互作用從而造成自由載流子與帶電的晶粒間界相互作用從而造成居里

39、溫度附近電阻和電容的反常行為居里溫度附近電阻和電容的反常行為 單晶中居里溫度處只觀測(cè)到電導(dǎo)率的微小變化單晶中居里溫度處只觀測(cè)到電導(dǎo)率的微小變化 陶瓷（多晶）在居里溫度以下呈現(xiàn)正常的負(fù)電阻陶瓷（多晶）在居里溫度以下呈現(xiàn)正常的負(fù)電阻溫度系數(shù)，而在居里溫度處電阻突然升高幾個(gè)數(shù)溫度系數(shù)，而在居里溫度處電阻突然升高幾個(gè)數(shù)量級(jí)量級(jí) 電阻率反常的原因是由于晶粒間界處的肖脫基阻電阻率反常的原因是由于晶粒間界處的肖脫基阻擋層而造成的小晶粒陶瓷中的擋層而造成的小晶粒陶瓷中的PTC反常，一般反常，一般比大晶粒材料的要大通過控制雜質(zhì)向晶粒表面比大晶粒材料的要大通過控制雜質(zhì)向晶粒表面區(qū)域的擴(kuò)散或晶界層的部分氧化可以顯著地改變區(qū)域的擴(kuò)散或晶界層的部分氧化可以顯著地改變PTC效應(yīng)效應(yīng) 第四節(jié)第四節(jié) 影響材料壓電性及鐵電性的因素影響材料壓電性及鐵電性的因素三三 預(yù)極化條件預(yù)極化條件 1 壓電陶瓷壓電陶瓷 經(jīng)直流極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷經(jīng)直流極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷 2 壓電陶瓷的特征壓電陶瓷的特征 由許多細(xì)小晶粒聚集在一起構(gòu)成的多晶體，燒由許多細(xì)小晶粒聚集在一起構(gòu)成的多晶體，燒結(jié)后是無規(guī)則排列，在宏觀上陶瓷材料表現(xiàn)為結(jié)后是無規(guī)則排列，在宏