鐵電壓電-總復(fù)習(xí)2014

1、明德 博學(xué)守正 出奇鐵 電 壓 電 材 料 與 器 件鐵電壓電材料與器件鐵電壓電材料與器件總復(fù)習(xí)總復(fù)習(xí)主要內(nèi)容主要內(nèi)容一晶體結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性二介電性質(zhì)三鐵電效應(yīng)四彈性性質(zhì)五壓電效應(yīng)六熱釋電效應(yīng)七光學(xué)性質(zhì)電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料熱釋電材料熱釋電材料聲表面波傳感器聲表面波傳感器動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)隨機(jī)隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器全息存儲(chǔ)器全息存儲(chǔ)器紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器電光調(diào)制器電光調(diào)制器非揮發(fā)性存儲(chǔ)器非揮發(fā)性存儲(chǔ)器溫度溫度傳感器傳感器電介質(zhì)材料的性能和應(yīng)用電介質(zhì)材料的性能和應(yīng)用一、晶體結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性一、晶體結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性1.1 晶體晶體晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)雪花雪花晶體：晶體：原子按一定的周期排列規(guī)則的固體，具有周期性

2、或平移對(duì)稱性，也叫長(zhǎng)程有序，例如：天然的巖鹽、水晶以及人工的半導(dǎo)體鍺、硅單晶。 自范性：晶體能自發(fā)地形成封閉的規(guī)則的幾何多面形 晶面角守恒：同一晶體，任兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面的夾角不變 均勻性；晶體中任意兩點(diǎn)的物理性質(zhì)相同； 對(duì)稱性；在某些特定方向上異向同性； 各向異性；不同帶軸方向上晶體的物理性質(zhì)不同； 解理性：晶體具有沿某些確定方位的晶面劈裂的性質(zhì)； 固定的熔點(diǎn)：特定溫度開(kāi)始熔化，熔化過(guò)程溫度不變。1.2 晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的決定的，是微觀特性的反應(yīng)。1.3 晶體的微觀特征晶體的微觀特征平移對(duì)稱性平移對(duì)稱性：在晶體中，相隔一定距離，總有完全相同的原子排列出現(xiàn)。

3、這種呈現(xiàn)周期性的整齊排列是單調(diào)的，不變的。也稱為晶體的周期性。晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣基元1.4 七大晶系的形成和轉(zhuǎn)化七大晶系的形成和轉(zhuǎn)化1.4 1.4 七大晶系、十四種布拉菲格子七大晶系、十四種布拉菲格子1.1.三斜晶系三斜晶系: : , cba 090cba2.2.單斜晶系單斜晶系: :3.3.三角晶系三角晶系: :0012090 cba簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單三斜( (1) )簡(jiǎn)單單斜簡(jiǎn)單單斜( (2) )底心單斜底心單斜( (3) )三角三角( (4) )4.4.正交晶系正交晶系: :090 cba簡(jiǎn)單正交簡(jiǎn)單正交( (5) )，底心正交，底心正交( (6) )體心正交體心正交( (7) )，面心正交，面

4、心正交( (8) )5.5.四方晶系四方晶系: :090 cba簡(jiǎn)單四角簡(jiǎn)單四角( (9) )，體心四角，體心四角( (10) )6.6.六角晶系六角晶系: :0012090 cba六角六角( (11) )7.7.立方晶系立方晶系: :090 cba簡(jiǎn)立方簡(jiǎn)立方( (12) )，體心立方，體心立方( (13) )面心立方面心立方( (14) )v能使對(duì)稱圖形復(fù)原的動(dòng)作稱為對(duì)稱操作對(duì)稱操作，例如，對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)，對(duì)稱面的反映，對(duì)稱中心點(diǎn)的反演（或倒反）等。v進(jìn)行對(duì)稱操作時(shí)，還必須依賴于一定的幾何元素，這些幾何元素在對(duì)稱操作過(guò)程中保持不變，如對(duì)稱中心、對(duì)稱面、對(duì)稱軸等，這些幾何元素又稱為對(duì)稱元素對(duì)稱

5、元素 晶體的八個(gè)基本對(duì)稱元素晶體的八個(gè)基本對(duì)稱元素晶體的對(duì)稱性中有八種基本的對(duì)稱操作：i， m ，1，2，3，4，6， 。 4AA i中心反演AA 晶面反映旋轉(zhuǎn)晶體的對(duì)稱性中有八種基本的對(duì)稱操作：i， m ，1，2，3，4，6， 。 41.6 點(diǎn)群點(diǎn)群 晶體中，對(duì)稱元素（或?qū)ΨQ操作）可以同時(shí)存在集合叫做“對(duì)稱群”。 對(duì)稱操作總是有一點(diǎn)保持不動(dòng)，不包括平移對(duì)稱性的對(duì)稱元素的集合叫做“點(diǎn)群”。 八種基本對(duì)稱元素共有32種組合方式，即32種點(diǎn)群。二、介電性質(zhì)二、介電性質(zhì)2.1 電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料定義定義: : 電介質(zhì)材料一般是在外電場(chǎng)作用下可以建立極化的電介質(zhì)材料一般是在外電場(chǎng)作用下可以建立極化的

6、一切物質(zhì)，一般電阻率大于一切物質(zhì)，一般電阻率大于10101010/cm/cm，是相對(duì)于，是相對(duì)于金屬材料和半導(dǎo)體材料而區(qū)分的。金屬材料和半導(dǎo)體材料而區(qū)分的。特點(diǎn)特點(diǎn): : 內(nèi)部沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷，只有束縛電荷，在電內(nèi)部沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷，只有束縛電荷，在電場(chǎng)作用下要產(chǎn)生極化或極化狀態(tài)改變，它以感應(yīng)場(chǎng)作用下要產(chǎn)生極化或極化狀態(tài)改變，它以感應(yīng)的方式而不是以傳導(dǎo)的方式傳遞電的作用。的方式而不是以傳導(dǎo)的方式傳遞電的作用。常見(jiàn)的三種極化機(jī)制：常見(jiàn)的三種極化機(jī)制： 1.電子位移極化電子位移極化 2.離子位移極化離子位移極化 3.固有偶極矩取向極化固有偶極矩取向極化2.2 電子位移極化電子位移極化在電場(chǎng)作用

7、下，介質(zhì)中的原子或離子的正負(fù)電荷中心不重合產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩，稱為電子位移極化。PE電子云電子云原子核原子核2.3 離子位移極化離子位移極化在電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子產(chǎn)生相對(duì)位移而產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩，稱為離子位移極化。 EP2.4 2.4 取向極化取向極化組成介質(zhì)的分子為有極分子，無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，固有偶極矩?zé)o規(guī)則取向，偶極矩之和等于零。有外電場(chǎng)時(shí)，固有偶極矩將轉(zhuǎn)向并沿電場(chǎng)方向排列而產(chǎn)生凈偶極矩，稱為取向極化。PH2O分子2.5 介電性質(zhì)介電性質(zhì)極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的電偶極矩的矢量和。 單位：C/m2 或 C/m2 =Pcos=Pn ：極化電荷面密度 Pn：極化強(qiáng)度在表面元的法線方向分量pPVEDEPPED

8、r000 ，各向同性與各向異性電介質(zhì)的介電常數(shù)矩陣各向同性與各向異性電介質(zhì)的介電常數(shù)矩陣zyxzyxEEE000000DDD各向同性電介質(zhì)1個(gè)獨(dú)立的介電常數(shù)zyx332313232212131211zyxEEEDDD各向異性電介質(zhì)6個(gè)獨(dú)立的介電常數(shù)，2.6 介電常數(shù)與對(duì)稱性：介電常數(shù)與對(duì)稱性：4次旋轉(zhuǎn)軸次旋轉(zhuǎn)軸Z 軸是四次軸，即表示當(dāng)晶體繞Z軸轉(zhuǎn)90、180 或270 后，晶體的性質(zhì)保持不變。331111000000原坐標(biāo)系：新坐標(biāo)系：DE DE 具有對(duì)稱性的意義： 111213212223313233xaaaxyaaayzaaaz 或：XA X 電場(chǎng)的變換：電位移的變換：EA E DA D

9、DE A DA E AE A E 1AA 仍以4點(diǎn)群為例說(shuō)明。變換矩陣為：具有對(duì)稱性的意義：1AA 010A100001 1010A100001 111213122223132333121113221223221223121113231333231333010010100100001001010100001 111213221223122223121113132333231333111133000000 對(duì)稱性要求4點(diǎn)群介電常數(shù)的形式還可以采用“足標(biāo)代換法”來(lái)確定晶體的獨(dú)立介電常數(shù)。設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)前，晶體的坐標(biāo)為o-xyz，繞z軸轉(zhuǎn)90后，晶體的坐標(biāo)為o-xyz。新舊坐標(biāo)軸之間的關(guān)系為： xy，y-x

10、，zz用（1、2、3）來(lái)代表（x、y、z）有： 12，2-1，33 于是有：1122，2211，3333， 12-21，1323，23-13 z軸度旋轉(zhuǎn)軸：足標(biāo)變化：繞z軸旋轉(zhuǎn)90后 ，xy, y-x, zz, 即 12, 2 -1,3390111213222123221223222311131113333333orotation 旋轉(zhuǎn)后性質(zhì)保持不變（對(duì)稱性的要求） 330110011只適用于三個(gè)晶軸互相垂直的晶系：正交晶系，四方晶系和立方晶系。不能應(yīng)用于其它晶系：三斜晶系，單斜晶系，三角晶系，六角晶系。坐標(biāo)變換法可以應(yīng)用于確定任何晶系的獨(dú)立的介電常數(shù)的數(shù)目。2.9 靜態(tài)介電常數(shù)與動(dòng)態(tài)介電常數(shù)

11、靜態(tài)介電常數(shù)與動(dòng)態(tài)介電常數(shù)在靜電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)。在交變電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為動(dòng)態(tài)介電常數(shù)。動(dòng)態(tài)介電常數(shù)的大小與測(cè)量頻率有關(guān)。2.10 極化弛豫極化弛豫 極化弛豫：當(dāng)電介質(zhì)開(kāi)始受靜電場(chǎng)作用時(shí)，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，極化強(qiáng)度才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值的現(xiàn)象，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。 電子位移極化弛豫時(shí)間約10-15s,離子位移極化的很短10-12s, 取向極化的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)1 10-10s，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。 當(dāng)電介質(zhì)受到交變電場(chǎng)的作用時(shí)，由于電場(chǎng)不斷在變化，所以電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度也要跟著不斷變化，即極化強(qiáng)度和電位移均將隨時(shí)間作周期性的變化。2.11 介電損耗介電損耗

12、如果交變電場(chǎng)的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場(chǎng)的變化，這時(shí)電介質(zhì)的極化過(guò)程與靜電場(chǎng)作用下的極化過(guò)程沒(méi)有多大的區(qū)別。 如果交變電場(chǎng)的頻率足夠高，電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度就會(huì)跟不上外電場(chǎng)的變化而出現(xiàn)滯后，從而引起介電損耗。 介電損耗，就是在某一頻率下供給介質(zhì)的電能，其中有一部分因強(qiáng)迫固有偶極矩的轉(zhuǎn)動(dòng)而使介質(zhì)變熱，即一部分電能以熱的形式而消耗。反映了微觀極化的弛豫過(guò)程。 三、鐵電性三、鐵電性3.1 鐵電體鐵電體 鐵電體的定義鐵電體的定義： 具有自發(fā)極化自發(fā)極化且自發(fā)極化矢量在外電場(chǎng)下可以翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)的電介質(zhì)材料。鐵電體的特性鐵電體的特性： 1. 電滯回線 2. 居里溫度 3. 臨界特征 在沒(méi)有外加電場(chǎng)作用

13、下，正負(fù)電荷重心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩的現(xiàn)象。3.2 自發(fā)極化的產(chǎn)生自發(fā)極化的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相變結(jié)構(gòu)相變位移型鐵電體位移型鐵電體3.3電滯回線電滯回線自發(fā)極化強(qiáng)度自發(fā)極化強(qiáng)度 Ps剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度Pr矯頑電場(chǎng)矯頑電場(chǎng) Ec電滯回線電滯回線電滯回線：電滯回線：極化強(qiáng)度與外電場(chǎng)之間表現(xiàn)為滯后關(guān)系， 是判斷材料是否具有鐵電性的重要依據(jù)。 PE+EC+Pr- EC- Pr-PS+PS極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的電偶極子，單位C/m2 或C/cm23.4 居里溫度居里溫度居里溫度：順電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變溫度。順電相順電相： 居里溫度以上，不具有鐵電性的相。TCT3.5 臨界特征臨界特征臨界特征臨界特征： 鐵電體

14、的介電、彈性、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)等在 居里溫度附近都要出現(xiàn)反常現(xiàn)象反?，F(xiàn)象。正常鐵電體正常鐵電體-50050100 Temperature (oC)Dielectric constant 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1000 kHz 弛豫鐵電體弛豫鐵電體3.6 鐵電疲勞鐵電疲勞Nature , 401,682(1999)nature materials, 3,365(2004)PZTBLT疲勞：在多次開(kāi)關(guān)（極化翻轉(zhuǎn)）后鐵電材料中的可翻轉(zhuǎn)疇減疲勞：在多次開(kāi)關(guān)（極化翻轉(zhuǎn)）后鐵電材料中的可翻轉(zhuǎn)疇減少、剩余極化強(qiáng)度少、剩余極化強(qiáng)度P Pr r 下降的現(xiàn)象下降的現(xiàn)象。鐵電晶體在沒(méi)

15、有外電場(chǎng)和外力作用下從順電相過(guò)渡到鐵電相時(shí)，將出現(xiàn)至少兩個(gè)等價(jià)的自發(fā)極化方向，以便使晶體的總自由能最小。每一個(gè)極化方向相同的小區(qū)域稱為鐵電疇，分離電疇的邊界稱為疇壁疇壁。3.9 疇結(jié)構(gòu)形成原因疇結(jié)構(gòu)形成原因180 疇疇 形成形成180 疇有利于降低退極化能疇有利于降低退極化能。 形成形成90 疇有利于降低應(yīng)變能。疇有利于降低應(yīng)變能。3.10 BaTiO3的電疇與對(duì)稱性的電疇與對(duì)稱性三方相（三方相（3m）T-80 沿沿自發(fā)極化自發(fā)極化對(duì)稱等效方向?qū)ΨQ等效方向8個(gè)個(gè),疇間夾角為疇間夾角為71 、109 和和180 。立方相（立方相（m3m）T1206個(gè)個(gè)方向方向四方相（四方相（4mm）0T120沿

16、沿自發(fā)極化自發(fā)極化對(duì)稱等效方向?qū)ΨQ等效方向6個(gè)個(gè)180 疇和疇和90 疇疇正交相（正交相（mm2）-80 T0沿沿自發(fā)極化自發(fā)極化對(duì)稱等效方向?qū)ΨQ等效方向12個(gè)個(gè)疇 間 夾 角 為疇 間 夾 角 為 6 0 , 90 120 和和180 。3.11 鐵電疇的觀察鐵電疇的觀察電疇結(jié)構(gòu)觀察方法：電疇結(jié)構(gòu)觀察方法： 光學(xué)技術(shù)腐蝕技術(shù)粉末沉淀法凝霧法液晶顯示技術(shù) 熱電技術(shù) X射線技術(shù) 電子顯微鏡觀察 高分辨透射電鏡 電子全息術(shù) Domain structures of CBN single crystal (Dark field images)C.J. Lu et al., Appl. Phys. L

17、ett. 88, 201906(2006)疇結(jié)構(gòu)的觀察 TEM暗場(chǎng)像C.L.Jia et al., Nat. Mater. 7,57(2008)HRTEM image of PZT films疇結(jié)構(gòu)的觀察 TEM高分辨像原位觀察鐵電體中疇結(jié)構(gòu)隨溫度的變化規(guī)律002g220 oC240 oC258 oC196 oC 282386 C20 oCHeating coolingC.J. Lu et al., Appl. Phys. Lett. 88, 201906(2006)疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)觀察 TEM原位觀察疇結(jié)構(gòu)的觀察壓電力顯微鏡（PFM）BTOBTOBTOShinichi Katayama, et

18、al., Adv. Mater., 19, 2552( 2007)疇結(jié)構(gòu)的觀察疇結(jié)構(gòu)的觀察光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡200um50um(a)(b)a(b)b(a)a(b)b(a)(a) BT single crystal(a) BNdT single crystal鐵電疇的極化反轉(zhuǎn)鐵電疇的極化反轉(zhuǎn)極化反轉(zhuǎn)過(guò)程主要由下列幾個(gè)階段組成：EE新疇成核新疇成核縱向生長(zhǎng)縱向生長(zhǎng)橫向生長(zhǎng)橫向生長(zhǎng)合并合并四、彈性性質(zhì)四、彈性性質(zhì) 壓電鐵電晶體是電介質(zhì)，具有介電性質(zhì)； 壓電鐵電晶體是彈性介質(zhì)，具有彈性性質(zhì)， 壓電效應(yīng)反映了它的介電性質(zhì)和彈性性質(zhì)之間的耦合作用。壓電效應(yīng)與介電、彈性性質(zhì)的關(guān)系壓電效應(yīng)與介電、彈性性質(zhì)的

19、關(guān)系4.1 塑性和彈性塑性和彈性塑性：塑性：外力撤消后，物體不能恢復(fù)原狀。彈性：彈性：外力撤消后，物體能恢復(fù)原狀。內(nèi)力：內(nèi)力：物體由于外因(受力、濕度、溫度)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。應(yīng)力應(yīng)力：受力物體截面上內(nèi)力的集度，單位面積上的內(nèi)力。外力外力外力外力內(nèi)力內(nèi)力4.2 正應(yīng)力與切應(yīng)力正應(yīng)力與切應(yīng)力正應(yīng)力：正應(yīng)力：施力方向垂直于受力面為正應(yīng)力。切應(yīng)力：切應(yīng)力：施力方向與受力面積平行為切應(yīng)力或剪應(yīng)力。靜應(yīng)力：靜應(yīng)力：材料所受的外力不隨時(shí)間而變化，其內(nèi)部的應(yīng)力大小不變。交變應(yīng)力：交變應(yīng)力：材料所受的外力隨時(shí)間呈

20、周期性變化，這時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力也隨時(shí)間呈周期性變化。正應(yīng)力正應(yīng)力正應(yīng)力正應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力面積與力都是矢量面積與力都是矢量正應(yīng)力（正應(yīng)力（3個(gè)）個(gè)）xzyxxzzyy2 = / ()FN mPaA，單位或張應(yīng)力張應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力第一個(gè)下標(biāo)：面； 第二個(gè)下標(biāo)：力切應(yīng)力（切應(yīng)力（6個(gè)）個(gè)）yxzzy =yzFAxz =zxxy =yx應(yīng)力張量應(yīng)力張量為了方便記憶與描述：角標(biāo)xx yyzzyz =zyxz = zxxy=yx 雙腳標(biāo)11 22 33 233112單角標(biāo)T1T2T3T4T5T6(6個(gè)獨(dú)立分量個(gè)獨(dú)立分量)12xx1112133212223431323356=xyxzyxyyyzzx

21、zyzzTTTTTTT應(yīng)力張量應(yīng)力張量矩陣表達(dá)形式矩陣表達(dá)形式4.4 應(yīng)變應(yīng)變 形變形變： 在外力作用下，物體的大小和形狀發(fā)生變化。 應(yīng)變應(yīng)變： 物體內(nèi)任一點(diǎn)因各種作用引起的相對(duì)變形。及變形前后 的改變量與原物理量之比。又可分為線應(yīng)線應(yīng)變和切應(yīng)變。變和切應(yīng)變。 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變FFFFFFFF正應(yīng)力正應(yīng)力正應(yīng)變正應(yīng)變切應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)變切應(yīng)變正應(yīng)變 S = x / lxlFF切應(yīng)變S = FFlx 應(yīng)變表達(dá)形式應(yīng)變表達(dá)形式應(yīng)變張量應(yīng)變張量為了方便記憶與描述：角標(biāo)Sxx SyySzzSyz =SzySxz = SzxSxy=Syx 雙腳標(biāo)S11 S22 S33 S23S31S12單角標(biāo)S1S2

22、S3S4S5S66個(gè)獨(dú)立分量個(gè)獨(dú)立分量12xx1112133212223431323356=xyxzyxyyyzzxzyzzSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS應(yīng)變張量應(yīng)變張量矩陣表達(dá)形式矩陣表達(dá)形式應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線So屈服點(diǎn)應(yīng)變硬化破壞彈性形變胡克定律胡克定律: 在彈性限度內(nèi), S, 即 / S = E ，E 為楊氏模量 或彈性模量，是常量, 與材料有關(guān)。同理，在彈性限度內(nèi), / = G 為剪切模量或剛性模量塑性形變4.5 胡克定律胡克定律(1) -彈性柔順常數(shù)6543216656463626165655453525154645443424143635343323132

23、62524232212161514131211654321TTTTTTssssssssssssssssssssssssssssssssssssSSSSSS彈性柔順常數(shù)是一個(gè)四級(jí)張量，共有36個(gè)，獨(dú)立的彈性剛度常數(shù)共21個(gè)。Ti：應(yīng)力Sj：應(yīng)變sij：彈性柔順常數(shù)彈性柔順常數(shù)的物理意義 :s s1111=(=( S S1 1/ / T T1 1) )TkTk ：沿x方向的伸縮應(yīng)力T1的改變引起x方向伸縮應(yīng)變S1的改變與伸縮應(yīng)力T1的改變的比。 伸縮應(yīng)力與伸縮應(yīng)變有關(guān)的彈性柔順常數(shù)。s s4444=(=( S S4 4/ / T T4 4) )TkTk ：x面上的切應(yīng)力T4的改變引起x面上切應(yīng)變S

24、4的改變與切應(yīng)力T4的改變之比。切應(yīng)力與切應(yīng)變有關(guān)的彈性柔順常數(shù)。4.6 胡克定律胡克定律(2)-彈性剛度常數(shù)彈性剛度常數(shù)654321665646362616565545352515464544342414363534332313262524232212161514131211654321SSSSSSccccccccccccccccccccccccccccccccccccTTTTTT彈性剛度常數(shù)是一個(gè)四級(jí)張量，共有36個(gè)，獨(dú)立的彈性剛度常數(shù)共21個(gè)。Ti：應(yīng)力Sj：應(yīng)變cij：彈性剛度常數(shù)實(shí)驗(yàn)上常采用楊氏模量Y，泊松比及切變模量G來(lái)代替彈性柔順常數(shù)s11、s12、s44。它們之間的關(guān)系為： 1

25、1s1Y 1211ss )1 (2Y)ss (21s1G121144Yangs modulus:Poission ratio:Shear modulus:五、五、 壓電效應(yīng)及應(yīng)用壓電效應(yīng)及應(yīng)用正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)受到外力作用而發(fā)生形變，在它某些電介質(zhì)受到外力作用而發(fā)生形變，在它的的某些表面某些表面出現(xiàn)與外力成出現(xiàn)與外力成線性比例線性比例的電荷積累。當(dāng)外力去掉后，的電荷積累。當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：當(dāng)電介質(zhì)受到電場(chǎng)當(dāng)電介質(zhì)受到電場(chǎng)E作用時(shí)，電介質(zhì)在作用時(shí)，電介質(zhì)在某一某一方向方向上產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度上產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度E成成

26、線性關(guān)系線性關(guān)系的機(jī)械形變，當(dāng)外加電場(chǎng)的機(jī)械形變，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形也隨之消失的現(xiàn)象。撤去時(shí)，這些變形也隨之消失的現(xiàn)象。 5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)5.2 壓電換能器壓電換能器原理：原理： 利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)將機(jī)械能和 電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換效率高，接收靈敏度高，潔凈無(wú)污染。應(yīng)用：應(yīng)用：超聲清洗，能量回收 日本：地鐵發(fā)電地板，每天回收1400千瓦時(shí)電能。英國(guó)： 舞池壓電地板，回收60%的電能。以色列：發(fā)電馬路，每公里每小時(shí)產(chǎn)生400千瓦時(shí)電能。5.3 壓電驅(qū)動(dòng)器壓電驅(qū)動(dòng)器-超聲電機(jī)超聲電機(jī)應(yīng)用原理：應(yīng)用原理： 利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩。性

27、能特點(diǎn)性能特點(diǎn) 重量輕、體積小、定位精確（納米級(jí)別 ）、響應(yīng)速度快、無(wú)噪音、穩(wěn)定性好、不受磁場(chǎng)干擾。應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 光學(xué)儀器、汽車、航空航天、工業(yè)控制、醫(yī)療器械、民用產(chǎn)品等5.4 超聲成像超聲成像壓電材料壓電材料超聲成像超聲成像:利用超聲波進(jìn)入人體或材料后，在不同組織分界處形成的反射回波，而進(jìn)行成像處理的技術(shù)。超聲換能器超聲換能器: 既是超聲波發(fā)射器又是回波接收器，它是超聲成像系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的聲學(xué)部件，是獲得高質(zhì)量圖像的保證。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，成像清晰。應(yīng)用：應(yīng)用： 醫(yī)學(xué)病情診斷，工業(yè)無(wú)損探傷1. 壓電變壓器壓電變壓器2. 壓電傳感器壓電傳感器3. 超聲霧化器超聲霧化器其他壓電器件其他壓

28、電器件FxXY+Fx+-P1P2P3FX+ + + X5.5 壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理(1)：非鐵電性壓電晶體非鐵電性壓電晶體SiO2Y+- - - -XP1P2P3壓力壓力正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)定性分析定性分析(P1+P2+P3)X0 有壓電性(P1+P2+P3)Y=0 無(wú)壓電性(P1+P2+P3)Z=0 無(wú)壓電性各向異性各向異性X方向受力時(shí)：方向受力時(shí)：5.6 壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理(2)：鐵電性壓電晶體鐵電性壓電晶體BaTiO3束縛電荷在電極面上吸附了一層大小相等符號(hào)相反的外界自束縛電荷在電極面上吸附了一層大小相等符號(hào)相反的外界自由電荷，以屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界

29、的作用。由電荷，以屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。1. 極化前，極化前，P=02. 極化后，極化后， P0E鐵電疇鐵電疇P- - - - - - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - - - - - -+ + + + + + +自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷- - - - - - - - - - -+ + + + + +- - - - - - - - - - - -+ + + + + + +FF3. 壓應(yīng)力，壓應(yīng)力， P05.7 壓電效應(yīng)與對(duì)稱中心壓電效應(yīng)與對(duì)稱中心晶體的任何形變也不能改變這個(gè)中心對(duì)稱性質(zhì)。所以,具有對(duì)稱中

30、心的晶體是非壓電晶體。七大晶系32類點(diǎn)群中有21類不存在對(duì)稱中心，其中的20類無(wú)中心對(duì)稱的晶體已發(fā)現(xiàn)具有壓電效應(yīng)。 FFFFFFZxy5.8 對(duì)稱面對(duì)稱面 設(shè)x面為對(duì)稱面，則當(dāng)晶體的坐標(biāo)由x-x、yy、zz時(shí)，晶體的性質(zhì)應(yīng)保持不變。1. 垂直于對(duì)稱面的方向上電偶極矩的和等于零。2. 在平行于對(duì)稱面方向上可以存在不等于零的電偶極矩。5.9 四次軸 設(shè)z軸為4次軸，根據(jù)四次軸的對(duì)稱性要求，晶體經(jīng)過(guò)90、 180、 270轉(zhuǎn)動(dòng)后，晶體的性質(zhì)保持不變。zyxOP-P-PP 在垂直于z軸的x、y方向的電偶極矩等于零。 在平行于z軸方向上，可以存在不等于零的電偶極矩。 5.10 壓電常數(shù)壓電常數(shù)(1)11

31、1 1Pd T(4)1144Pd T(3)113 3Pd T(5)115 5Pd T(6)1166Pd T(2)1122Pd Txz zT3(P1)T2T1T4T6T5(P P3 )(P P2)(3)(3)(2)(2)Pi j = d i j Tj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y y(1)(1)vi(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在表示晶體的極化方向，即在i i面上產(chǎn)生電荷面上產(chǎn)生電荷。1、2、3分別表示垂直于分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面軸的晶片表面vj(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿表示沿x,y,z方向作用的單向方向作用的單向應(yīng)力；應(yīng)力；4

32、，5，6表示在表示在yz, zx, xy平面上承受的剪切應(yīng)力平面上承受的剪切應(yīng)力壓電常數(shù)模型壓電常數(shù)模型d33 縱向壓電常數(shù)d31 橫向壓電常數(shù)壓電常數(shù)矩陣壓電常數(shù)矩陣121111213141516322122232425264331323334353656ETTDddddddTDddddddTDddddddTT61,1,2,3iijjEjDd Tidij為壓電常數(shù)，足標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字為壓電常數(shù)，足標(biāo)中第一個(gè)數(shù)字i指電場(chǎng)方向或電指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字j指應(yīng)力或應(yīng)變方向；指應(yīng)力或應(yīng)變方向；Tj為應(yīng)力；為應(yīng)力；Di為電位移。為電位移。5.11 機(jī)電耦合系數(shù)

33、機(jī)電耦合系數(shù)K機(jī)電耦合系機(jī)電耦合系數(shù)數(shù)K：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出的能量(如電能)與輸入的能量(如機(jī)械能)之比的平方根。它是從能量角度衡量壓電材料機(jī)電耦合能量轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的總電能得的機(jī)械能通過(guò)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(guò)正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換所2K或或fs 諧振頻率諧振頻率fp 反諧振頻率反諧振頻率5.12 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm 壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)，為了克服內(nèi)摩擦需要消耗能量。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)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm是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)。Qm越大，能量消耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量消

34、耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的定義式是：的定義式是：222012=2()()pmspsfQf R CCff諧振時(shí)振子儲(chǔ)存的機(jī)械能每一諧振周期振子所消耗的機(jī)械能fs為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率, fp為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率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）1 1、彈性常數(shù)、彈性常數(shù) sij 壓電材料的彈性常數(shù)和剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。sij， cij2 2、介電常數(shù)、介電常數(shù) ij 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電器件，其固有電

35、容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 33、 313 3、絕緣電阻、絕緣電阻 R 壓電材料的絕緣電阻可減少電荷泄露，改善傳感器低頻特性。4 4、居里點(diǎn)、居里點(diǎn) Tc 壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。5.13 其他重要的概念其他重要的概念六、熱釋電性質(zhì)熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)：極化強(qiáng)度隨溫度改變而表現(xiàn)出的電荷釋放現(xiàn)象，宏觀上是溫度的改變使材料的兩端出現(xiàn)電壓或產(chǎn)生電流。熱釋電效應(yīng)形成原理熱釋電效應(yīng)形成原理懸浮電荷懸浮電荷熱平衡條件下熱平衡條件下熱能熱能溫度變化造成極化溫度變化造成極化T+T(K)溫度變化溫度變化熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理1. 極化強(qiáng)

36、度的排列使靠近極化矢量?jī)啥说谋砻娓浇霈F(xiàn)束縛電荷。在熱平衡狀態(tài)下，這些束縛電荷被等量反號(hào)的自由電荷所屏蔽，所以對(duì)外不顯示電性。2. 當(dāng)溫度改變時(shí)，極化強(qiáng)度發(fā)生變化，原先的自由電荷不能再完全屏蔽束縛電荷，于是表面出現(xiàn)自由電荷，他們?cè)诟浇臻g形成電場(chǎng)，對(duì)帶電微粒有吸引或者排斥作用。通過(guò)與外電路連接，則可在電路中觀測(cè)到電流。升溫和降溫兩種情況下電流的方向相反紅外傳感器的工作原理紅外傳感器的工作原理任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線紅外線 。輻射的紅外線波長(zhǎng)跟物體輻射的紅外線波長(zhǎng)跟物體溫度溫度有關(guān)。表面溫度越高有關(guān)。表面溫度越高 ,輻射能量輻射能量越強(qiáng)。越強(qiáng)。最大波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿足最大波長(zhǎng)和

37、溫度的關(guān)系滿足維恩位移定律維恩位移定律：m*T=2989 (mk)人體的正常體溫為人體的正常體溫為3637.5 C ， 其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為為 9.679.64m，中心波長(zhǎng)為，中心波長(zhǎng)為 9.65m。熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用-紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀儀器探溫儀器探溫人體探溫人體探溫工工業(yè)業(yè)高高溫溫探探測(cè)測(cè)紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)非接觸紅外測(cè)溫儀非接觸紅外測(cè)溫儀接觸類測(cè)溫儀接觸類測(cè)溫儀1.非接觸測(cè)溫對(duì)物體無(wú)影響1接觸測(cè)溫對(duì)被測(cè)物溫度場(chǎng)有影響2.檢測(cè)物體表面溫度2不適合測(cè)瞬態(tài)溫度3.反應(yīng)速度快,可測(cè)運(yùn)動(dòng)中的物體和瞬態(tài)溫度3不便于測(cè)運(yùn)

38、動(dòng)中的物體4.測(cè)量范圍寬4測(cè)量范圍不夠?qū)?，且耗?.測(cè)量精度高,分辨率小5不適合測(cè)量有毒、高壓等危險(xiǎn)場(chǎng)合6.可對(duì)小面積測(cè)溫7.可同時(shí)對(duì)點(diǎn), 線, 面測(cè)溫8.可測(cè)絕對(duì)溫度,也可測(cè)相對(duì)溫度熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用-夜夜 視視 因?yàn)槿梭w、各種動(dòng)物以及發(fā)動(dòng)機(jī)等都是熱源，都會(huì)輻射產(chǎn)生紅外線，這時(shí)你坐在夜視儀前，就會(huì)通過(guò)屏幕清楚地觀測(cè)到遠(yuǎn)處的物體，甚至可以分辨人、動(dòng)物及汽車、坦克的形狀。如果給戰(zhàn)士們配置了這種黑夜“千里眼”，并裝備上激光測(cè)距儀，他們就會(huì)百發(fā)百中，彈無(wú)虛發(fā)。 夜視技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成了部隊(duì)現(xiàn)代化裝備的重要技術(shù)之一。在伸手不見(jiàn)五指的黑夜，埋伏在叢林中的敵人、遠(yuǎn)處的汽車、坦克等，以前是很難被發(fā)

39、現(xiàn)的?，F(xiàn)在有了紅外夜視儀，情況就不同了。熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用-醫(yī)學(xué)及工業(yè)醫(yī)學(xué)及工業(yè)診斷診斷醫(yī)學(xué)診斷醫(yī)學(xué)診斷因?yàn)槿梭w發(fā)炎的部位會(huì)輻射出更多的紅外線，利用紅外熱像儀可以幫助醫(yī)生確定病灶的位置及形狀。在醫(yī)院中幫助醫(yī)生診斷疾病。工業(yè)診斷工業(yè)診斷飛馳的火車如果某一個(gè)車輪發(fā)生故障，也會(huì)產(chǎn)生高溫。用熱釋電晶體制作的紅外遙感測(cè)溫儀可以在火車行駛過(guò)程中，迅速而準(zhǔn)確地判斷出第幾個(gè)輪子出了問(wèn)題，并及時(shí)通知下一站的工作人員及時(shí)檢修。熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用-電氣檢測(cè)紅色箭頭所指相溫升較高，說(shuō)明該相接頭處有嚴(yán)重問(wèn)題。http:/ 如果能夠用一種物理方法來(lái)改變光波的這些振幅、頻率、相位、強(qiáng)度等參量之一

40、，使其按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，就稱激光束就受到了信號(hào)的調(diào)制，即達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。 光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。電光效應(yīng)電光效應(yīng) 某些晶體在外加電場(chǎng)的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，其傳輸特性(振幅、相位、頻率)就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。 電光效應(yīng)包括1. 泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)：介質(zhì)折射率改變量與外加電場(chǎng)的一次方成正比。（線性電光效應(yīng)線性電光效應(yīng)）2. 克爾(Kerr)效應(yīng)：介質(zhì)折射率改變量與外加電場(chǎng)的二次方成正比。（二次二次電光效應(yīng)電光效應(yīng)）+-MM0I20IN電光晶體電光效應(yīng)應(yīng)用電光效應(yīng)應(yīng)用利用電光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波

41、的振幅和相位進(jìn)行調(diào)制?？梢灾谱麟姽庹{(diào)制器、電光開(kāi)關(guān)、電光光偏轉(zhuǎn)器等光電子器件?？捎糜诠忾l、激光器的Q開(kāi)關(guān)、光波調(diào)制，在高速攝影、光速測(cè)量、光通信和激光測(cè)距等激光技術(shù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用。+電光調(diào)制原理1 1rrvc 光在透明介質(zhì)中的傳播速度v小于真空中的速度c, 而c與v之比定義為該透明介質(zhì)的折射率，即1 2cnv光波是電磁波，則可以從上兩式比較可得1 3rrn 此式把光學(xué)和電磁學(xué)兩個(gè)不同領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)了。使折射率成為只與介質(zhì)本身常量有關(guān)的物理量。r 相對(duì)介電常r 相對(duì)磁導(dǎo)率從光的電磁理論可知，介質(zhì)折射率完全決定于它的光頻介電常數(shù)。在通常情況下，電場(chǎng)較小，介電方程用下述線性關(guān)系描述:,1,2,3iij

42、jDEi j 此時(shí)介電常數(shù)ij=Di/Ej是一個(gè)與電場(chǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)，因而折射率:0/ijijijnK與電場(chǎng)無(wú)關(guān)。晶體的介電常數(shù)mn為二階張量，呈現(xiàn)各向異性，所以折射率nnm也各向異性，即光學(xué)各向異性。電光調(diào)制原理但是當(dāng)對(duì)電介質(zhì)施加一個(gè)足夠強(qiáng)的外電場(chǎng)，以致于強(qiáng)到足以和原子的內(nèi)電場(chǎng)（3108 V/cm）相比擬時(shí)，則在這種情況下，原子的內(nèi)電場(chǎng)就會(huì)受到強(qiáng)烈的影響，原子的形狀和能級(jí)結(jié)構(gòu)等等就會(huì)發(fā)生一系列畸變；D和E之間呈現(xiàn)出非線性關(guān)系?？梢哉钩上铝袃缂?jí)數(shù)形式: 02302DEEED2 E3 EE高電場(chǎng)下，介電常數(shù)及折射率都是電場(chǎng)的函數(shù)。1 3rrn 電光調(diào)制原理光軸：光軸：z軸與天然石英晶體的上、下頂軸與

43、天然石英晶體的上、下頂角連線重合角連線重合(即與晶體的即與晶體的C軸重合軸重合)。光。光線沿線沿z軸通過(guò)石英晶體時(shí)不產(chǎn)生雙折射，軸通過(guò)石英晶體時(shí)不產(chǎn)生雙折射，故稱故稱z軸為石英晶體的光軸。軸為石英晶體的光軸。電軸：電軸：x軸與石英晶體橫截面上的對(duì)角軸與石英晶體橫截面上的對(duì)角線重合線重合(即與晶體的即與晶體的a軸重合軸重合)，沿，沿x方向方向?qū)w施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)最對(duì)晶體施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)最顯著，故常稱顯著，故常稱x軸為石英晶體的電軸。軸為石英晶體的電軸。機(jī)械軸：機(jī)械軸：沿沿x軸或者軸或者y軸施加應(yīng)力，在軸施加應(yīng)力，在y軸不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，只產(chǎn)生形變。軸不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，只產(chǎn)生形變

44、。Y軸軸稱為機(jī)械軸。稱為機(jī)械軸。石英晶體的光軸，電軸，機(jī)械軸石英晶體的光軸，電軸，機(jī)械軸光軸光軸電軸電軸機(jī)械軸機(jī)械軸Y+- - - -XP1P2P3 外加交變電場(chǎng)可以使壓電材料產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，但在一般情況下振幅都非常小，當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時(shí)，振幅才會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振壓電諧振。上述特定頻率稱為晶體的固有頻率或諧振頻率固有頻率或諧振頻率。壓電諧振及其產(chǎn)生條件壓電諧振及其產(chǎn)生條件產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因1、壓電效應(yīng)：在晶片的兩面之間加電場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)在晶片的兩電極之間加交變電壓時(shí)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)。2、固有頻率：材料有固有頻率，與其剛度系數(shù)（柔順系數(shù)）、尺寸有關(guān)

45、。3、外在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與材料固有頻率一致時(shí)發(fā)生諧振。電路符號(hào)石英晶體振蕩器的等效電路。石英晶體振蕩器的等效電路。等效電路結(jié)構(gòu)模型C0 -晶體不振動(dòng)時(shí)的等效靜電電容。晶體不振動(dòng)時(shí)的等效靜電電容。L -晶體振動(dòng)時(shí)的等效質(zhì)量慣性，等效為電感。晶體振動(dòng)時(shí)的等效質(zhì)量慣性，等效為電感。C -晶片的振動(dòng)彈性，等效為電容。晶片的振動(dòng)彈性，等效為電容。R -晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗，等效于電阻晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗，等效于電阻。RC0畫出石英晶體諧振器的等效電路和X-諧振曲線。寫出其串聯(lián)支路諧振頻率s和并聯(lián)回路諧振頻率p表達(dá)式，并在圖中注明s和p的位置。 s s是串聯(lián)支路是串聯(lián)支路的諧振頻率。的諧振頻

46、率。 p p并聯(lián)回路并聯(lián)回路的諧振頻率的諧振頻率 X XC01+ XL+XC111= j C0- - j 1 L - - C1 p C、L和和 R串聯(lián)后再與串聯(lián)后再與 C0并并聯(lián)，得出總阻抗聯(lián)，得出總阻抗Z。通常。通常RXL，所以所以R可忽略。可忽略。Z可用總電抗可用總電抗X替代。替代。X=0X= 1. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)2. 鎢青銅型結(jié)構(gòu)3. 鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)4. 含鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 常見(jiàn)壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)：常見(jiàn)壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)：ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABO3：A：1,2,3 Na，Pb2+，Ba2+，La3+B：5,4,3 Nb5+,Ti4+，F(xiàn)e3+u化學(xué)通式是ABO3，A為半徑較大的低價(jià)正

47、離子，B為半徑較小的高價(jià)正離子。uB位原子處于氧八面體中心，A位原子處于氧八面體間隙。AOBABOPbZrO3-PbTiO3相圖相圖及準(zhǔn)同型相界及準(zhǔn)同型相界1 1、隨、隨ZrZr：Ti Ti 變化，變化，居里點(diǎn)居里點(diǎn)幾乎線幾乎線性地從性地從235235變到變到490 490 ，T Tc c線以上線以上為立方順電相，無(wú)壓電效應(yīng)。為立方順電相，無(wú)壓電效應(yīng)。2 2、ZrZr：Ti=53Ti=53：4747附近有附近有一準(zhǔn)同型一準(zhǔn)同型相界相界線，富鈦側(cè)為四方鐵電相線，富鈦側(cè)為四方鐵電相F FT T；富鋯一側(cè)為高溫三方鐵電相富鋯一側(cè)為高溫三方鐵電相F FR R，溫，溫度升高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，度升

48、高，這一相界線向富鋯側(cè)傾斜，并與并與T Tc c線交于線交于360360（表明相界附（表明相界附近居里溫度近居里溫度T Tc c高），在相界附近，高），在相界附近，晶胞參數(shù)發(fā)生突變。晶胞參數(shù)發(fā)生突變。立方順電相四方鐵電相高溫三方鐵電相A03 3、在四方鐵電相、在四方鐵電相F FT T與三方鐵電相與三方鐵電相F FR R的相界附近具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)，的相界附近具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)，K Kp p, , 出現(xiàn)極大值，出現(xiàn)極大值，Q Qm m出現(xiàn)極小值。出現(xiàn)極小值。準(zhǔn)同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不是一個(gè)明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，在此區(qū)域內(nèi)，PZT陶瓷體內(nèi)三方相和四方相共存。

49、溫度溫度 oC 在四方鐵電相在四方鐵電相Ft與三方鐵電相與三方鐵電相FR共存的準(zhǔn)同型相界附共存的準(zhǔn)同型相界附近具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。近具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。Kp, 出現(xiàn)極大值，出現(xiàn)極大值，Qm出現(xiàn)極小出現(xiàn)極小值。值。 原因：原因：相界線不是明確的成分分界線，而是具有一定相界線不是明確的成分分界線，而是具有一定寬度、成分比范圍的相重疊區(qū)域，在相界線附近，晶粒中寬度、成分比范圍的相重疊區(qū)域，在相界線附近，晶粒中可同時(shí)存在四方鐵電相和三方鐵電相?？赏瑫r(shí)存在四方鐵電相和三方鐵電相。 在此區(qū)域內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)t和和FR(高溫高溫)自由能相近，相轉(zhuǎn)變激活能低，自由能相近，相轉(zhuǎn)變激活能低，在弱電場(chǎng)誘導(dǎo)下就能發(fā)

50、生結(jié)構(gòu)相變，在弱電場(chǎng)誘導(dǎo)下就能發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，使不同取向的晶粒的使不同取向的晶粒的自發(fā)極化軸盡可能統(tǒng)一到電場(chǎng)方向，因而自發(fā)極化軸盡可能統(tǒng)一到電場(chǎng)方向，因而，KP 。由于。由于電疇定向充分，內(nèi)摩擦增大，故電疇定向充分，內(nèi)摩擦增大，故Qm 。因此，為了獲得。因此，為了獲得KP , 的材料，組成宜選在的材料，組成宜選在Zr：Ti=53：47附近，為了獲附近，為了獲得得Qm 伴隨伴隨KP 的材料，則應(yīng)選在遠(yuǎn)離的材料，則應(yīng)選在遠(yuǎn)離53：47處。處。準(zhǔn)同型相界的優(yōu)異性能及產(chǎn)生機(jī)理準(zhǔn)同型相界的優(yōu)異性能及產(chǎn)生機(jī)理PZT瓷的摻雜改性瓷的摻雜改性: 為了滿足不同的使用目的，需要具有各種為了滿足不同的使用目的，需要具

51、有各種性能的性能的PZT壓電陶瓷，為此可以添加不同的離壓電陶瓷，為此可以添加不同的離子來(lái)取代子來(lái)取代A位的位的Pb2+離子或離子或B位的位的Zr4+，Ti4+離離子，從而改進(jìn)材料的性能。子，從而改進(jìn)材料的性能。其其它它取取代代改改性性硬硬性性取取代代改改性性軟軟性性取取代代改改性性異異價(jià)價(jià)取取代代等等價(jià)價(jià)取取代代的的改改性性分分為為：PZTPZT瓷的摻雜改性瓷的摻雜改性上述離子取代上述離子取代Pb2+后，晶體結(jié)構(gòu)仍為鈣鈦礦型，但出后，晶體結(jié)構(gòu)仍為鈣鈦礦型，但出現(xiàn)了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉(zhuǎn)向激活能減小，現(xiàn)了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉(zhuǎn)向激活能減小，在人工預(yù)極化處理時(shí)，有利于在人工預(yù)極

52、化處理時(shí)，有利于90o疇轉(zhuǎn)向與保留，故疇轉(zhuǎn)向與保留，故，KP , d 。等價(jià)取代是指用等價(jià)取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二價(jià)離子取等二價(jià)離子取代代Pb2+，結(jié)果使，結(jié)果使PZT瓷的瓷的，KP ，d，從而提高，從而提高PZT瓷的壓電性能。瓷的壓電性能。 等價(jià)等價(jià)A位取代位取代所謂所謂“軟軟”是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)EC ，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變“軟軟”。1) La3+, Bi3+, Sb3+ 等取代等取代A位位Pb2+離子（施主摻雜）；離子（施主摻雜）；2) Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6

53、+等取代等取代B位的位的Zr4+、Ti4+離子離子(施主摻雜施主摻雜)。經(jīng)取代改性后的經(jīng)取代改性后的PZT瓷性能有如下變化：瓷性能有如下變化： 矯頑場(chǎng)強(qiáng)矯頑場(chǎng)強(qiáng)E EC C 減小減小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q Qm m減小減小；介電常；介電常數(shù)數(shù)增加增加，介電損耗，介電損耗tantan增加增加, ,機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)K KP P增加增加, , 抗老化性增加，絕緣電阻率抗老化性增加，絕緣電阻率增加增加 。軟性取代改性軟性取代改性所謂所謂“硬性取代改性硬性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯是指加入這些添加物后能使矯頑場(chǎng)強(qiáng)頑場(chǎng)強(qiáng)EC 增加增加，極化變難，因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，極化變難，

54、因而在電場(chǎng)或應(yīng)力作用下，材料性質(zhì)變材料性質(zhì)變“硬硬”。 硬性取代使得材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)硬性取代使得材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm增加，介電常數(shù)增加，介電常數(shù)減小減小，介電損耗，介電損耗tan減小減小, 機(jī)電耦機(jī)電耦合系數(shù)合系數(shù)KP減小減小, 抗老化性降低，絕緣電阻率抗老化性降低，絕緣電阻率減小減小。a） K+，Na+等取代等取代A位位Pb+2離子（受主摻雜）；離子（受主摻雜）；b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Cr3+等取代等取代B位的位的Zr4+、Ti4+離子（受主摻雜）。離子（受主摻雜）。 硬性取代改性硬性取代改性常見(jiàn)的無(wú)鉛壓電材

55、料常見(jiàn)的無(wú)鉛壓電材料（1） BaTiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷基無(wú)鉛壓電陶瓷（2）Na1-XKXNbO3基無(wú)鉛壓電陶瓷基無(wú)鉛壓電陶瓷（3） Bi1-xNaxTiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷基無(wú)鉛壓電陶瓷（4）鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷）鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷(Bi4Ti3O12)（5）鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷）鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷(SrxBa1-x)Nb2O6)壓電高分子材料聚偏氟乙烯，簡(jiǎn)稱PVDF，分子式為(CH2-CF2)n，PVDF的存在哪幾種晶型，哪一種晶型具有壓電性？PVDF存在四種晶相：，晶型是PVDF最普通的結(jié)晶形式，為單斜晶系，構(gòu)型為TGTG在同一單胞內(nèi)偶極子反向排布，偶極矩相互抵消，因此分子為非極性。晶型

56、是PVDF的重要結(jié)晶形式，為正交晶系，構(gòu)型為全反式TTT單胞內(nèi)偶極子排布方向一致，因而具有強(qiáng)極性，相具有最強(qiáng)的壓電性。相相壓電陶瓷和壓電聚合物各有具有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？壓電陶瓷材料如鋯鈦酸鉛( PZT) , 具有壓電性能高，機(jī)電耦合系數(shù)大，局里溫度高等特點(diǎn), 但它介電常數(shù)高, 聲阻抗大且耐沖擊性能較差, 使其應(yīng)用受到制約,而且含鉛具有毒性。 壓電聚合物, 如聚偏二氟乙烯( PVDF) , 具有柔順性好,聲阻抗小,密度低，穩(wěn)定性強(qiáng)，無(wú)毒等特性，但其壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)較小, 溫度特性和老化特性存在問(wèn)題。PVDF的聲阻抗與空氣、 水和生物組織很接近， 所在許多技術(shù)領(lǐng)域都有適用性。特別是用它制作與液體、

57、 生物體及氣體的換能器， 可獲得比用其它壓電材料制作換能器更好的阻抗匹配。必須由必須由兩種及兩種及以上化學(xué)、物以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的理性質(zhì)不同的材料組合而成材料組合而成必須是必須是人造人造的的，是人們根據(jù)，是人們根據(jù)需要設(shè)計(jì)制造需要設(shè)計(jì)制造的材料的材料通過(guò)各組分性通過(guò)各組分性能的互補(bǔ)可獲能的互補(bǔ)可獲得單一材料不得單一材料不能達(dá)到的能達(dá)到的綜合綜合性能性能復(fù)合材料123 由由兩種以上兩種以上不同的原材料組成，使原材料的性能得不同的原材料組成，使原材料的性能得到充分發(fā)揮，并通過(guò)到充分發(fā)揮，并通過(guò)復(fù)合化復(fù)合化而得到單一材料所不具備的而得到單一材料所不具備的性能的材料。性能的材料。壓電陶瓷材料如鋯鈦

58、酸鉛( PZT) , 具有壓電性能高和機(jī)電耦合系數(shù)大等特點(diǎn), 但它介電常數(shù)高, 聲阻抗大且耐沖擊性能較差, 使其應(yīng)用受到制約, 而某些高分子材料, 如聚偏二氟乙烯( PVDF) , 其柔順性好,聲阻抗小, 但其壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)較小, 溫度特性和老化特性存在問(wèn)題, 將壓電陶瓷材料與聚合物材料按一定的連通方式復(fù)合后, 則可制成既具有一定壓電性, 又具有柔軟性的壓電復(fù)合材料,壓電復(fù)合材料 壓電陶瓷的制備工藝壓電陶瓷的制備工藝1. 粉體制備粉體制備2. 坯體成型坯體成型3. 陶瓷燒結(jié)陶瓷燒結(jié)納米粉體合成方法納米粉體合成方法納米材料納米材料制備途徑制備途徑從小到大從小到大: 原子原子團(tuán)簇團(tuán)簇納米顆

59、粒納米顆粒從大到小從大到小: 固體固體微米顆粒微米顆粒納米顆粒納米顆粒通?？赏ㄟ^(guò)兩大的途徑得到納米材料：通常可通過(guò)兩大的途徑得到納米材料：納納米米粒粒子子合合成成方方法法分分類類納納米米粒粒子子制制備備方方法法物理法物理法化學(xué)法化學(xué)法粉碎法粉碎法構(gòu)筑法構(gòu)筑法沉淀法沉淀法水熱法水熱法溶膠凝膠法溶膠凝膠法冷凍干燥法冷凍干燥法噴霧法噴霧法干式粉碎干式粉碎濕式粉碎濕式粉碎氣體冷凝法氣體冷凝法濺射法濺射法氫電弧等離子體法氫電弧等離子體法共沉淀法共沉淀法均相沉淀法均相沉淀法水解沉淀法水解沉淀法氣相反應(yīng)法氣相反應(yīng)法液相反應(yīng)法液相反應(yīng)法氣相分解法氣相分解法氣相合成法氣相合成法氣固反應(yīng)法氣固反應(yīng)法其它方法其它方

60、法(如球磨法如球磨法)陶瓷的成型制備技術(shù)陶瓷的成型制備技術(shù)根據(jù)制成的形狀和要求特性，主要采用下列5種粉體成形方法：（1）模壓成形；（干壓成型）（2）等靜壓成形；（3）擠壓成形；（4）注漿成形；（5）熱壓鑄成型；陶瓷的燒結(jié)陶瓷的燒結(jié)宏觀 定義：粉體原料經(jīng)過(guò)成型、加熱到低于熔點(diǎn)的溫度，發(fā)生固結(jié)、氣孔率下降、收縮加大、致密度提高、晶粒增大，成為堅(jiān)硬的燒結(jié)體，這個(gè)過(guò)程稱為燒結(jié)。微觀定義：固體中分子（原子）間存在相互吸引，通過(guò)加熱使質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能量進(jìn)行遷移，使粉末體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過(guò)程，稱為燒結(jié)。常規(guī)燒結(jié)常規(guī)燒結(jié)(是否出現(xiàn)液相) 燒結(jié)方法燒結(jié)方法分類分類固相燒結(jié)：液相燒結(jié)：