“材料物理性能”實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)印刷

“材料物理性能”實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)目錄實(shí)驗(yàn)一無(wú)機(jī)材料線膨脹系數(shù)的測(cè)定 1實(shí)驗(yàn)二電介材料的室溫絕緣電阻測(cè)定 6實(shí)驗(yàn)三材料的介電常數(shù)溫度特性測(cè)試 12實(shí)驗(yàn)四壓電材料諧振峰與反諧振峰的測(cè)定 17實(shí)驗(yàn)五壓電材料的壓電常數(shù)d33實(shí)驗(yàn)測(cè)定 19實(shí)驗(yàn)一無(wú)機(jī)材料線膨脹系數(shù)的測(cè)定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆绽秒姼形⑽灰破鳒y(cè)定材料線膨脹系數(shù)的方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】線膨脹系數(shù)測(cè)定儀，計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件，游標(biāo)卡尺?！緦?shí)驗(yàn)原理】1．材料線膨脹系數(shù)的測(cè)定及其測(cè)量方法固體的長(zhǎng)度一般是溫度的函數(shù)，在常溫下，固體的長(zhǎng)度L與溫度t有如下關(guān)系：L＝L0（1＋αt）（1－1）式中L0為固體在t＝0℃時(shí)的長(zhǎng)度；α稱為線脹系數(shù)。其數(shù)值與材料性質(zhì)有關(guān)，單位為℃－1。設(shè)物體在t1℃時(shí)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，溫度升到t2℃時(shí)增加了ΔL。根據(jù)（1－1）式可以寫(xiě)出L＝L0（1＋αt1）（1－2）L＋ΔL＝L0（1＋αt2）（1－3）從（1－2）、（1－3）式中消去L0后，再經(jīng)簡(jiǎn)單運(yùn)算得SKIPIF1<0（1－4）由于ΔL<<L，故（1－4）可以近似寫(xiě)成SKIPIF1<0（1－5）顯然，固體線脹系數(shù)的物理意義是當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，固體長(zhǎng)度的相對(duì)變化值。在（1－5）式中，L、t1、t2都比較容易測(cè)量，但ΔL很小，一般長(zhǎng)度儀器不易測(cè)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)中用電感位移傳感器進(jìn)行精確測(cè)量。2．測(cè)量裝置簡(jiǎn)介測(cè)試儀由電阻爐、加載傳感器裝置、滑移小車、基座好控制箱五部分組成，如圖所示。電爐升溫后爐膛內(nèi)的樣品受熱發(fā)生膨脹，頂在試樣頂端的測(cè)試桿產(chǎn)生與之等量的膨脹量（如果不計(jì)系統(tǒng)的熱變形量的話），這一膨脹量由電感位移傳感器及儀表精確測(cè)量出來(lái)，并由儀表顯示并送計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后顯示δ和α值是通過(guò)自動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果，也可通過(guò)智能儀表顯示的位移絕對(duì)值，人工記錄，并按原理公式計(jì)算SKIPIF1<0圖1-1熱膨脹測(cè)試儀為消除系統(tǒng)熱變形量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在計(jì)算中需加上相應(yīng)的補(bǔ)償值才是試樣的真實(shí)膨脹值。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、將基座安放水平，調(diào)整爐膛的位置，使?fàn)t膛與試樣管相對(duì)運(yùn)動(dòng)自如，防止相互擦、碰。調(diào)整、移動(dòng)爐膛時(shí)要緩慢，以防損壞爐膛和試樣。將爐膛固定在小車上，再調(diào)整定位腳在導(dǎo)軌上的位置，使小車靠住定位腳，固緊定位腳。這樣能保證測(cè)試時(shí)試樣處于爐膛均溫區(qū)之中。2、當(dāng)測(cè)試桿和試樣接觸后位移顯示可能不指示零位，可以通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使位移顯示“2000”位。計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)記錄零點(diǎn)位移，作為起始位移，參與運(yùn)算。3、檢查各部分的連線，以及智能儀表設(shè)置是否正常、實(shí)驗(yàn)的基本要求、各參數(shù)測(cè)試要求、測(cè)試工藝要求等。確認(rèn)各儀表各性能正常，將冷卻水通入導(dǎo)支套及水冷端蓋。爐溫在700℃以前，通入導(dǎo)支套及端蓋的冷卻水流量要小些，使導(dǎo)支套出水溫度在室溫附近即可。注意：連接電爐的電線端子一定要接觸良好，并將儀表的地線接入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所地線（或水管），減少系統(tǒng)之感應(yīng)電以保護(hù)計(jì)算機(jī)可靠工作及數(shù)據(jù)的正常傳送。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)即通氬氣保護(hù)。4、打開(kāi)電源，檢查智能表518P基本參數(shù)的設(shè)置，連接計(jì)算機(jī)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處于程序運(yùn)行用戶界面，按操作步驟進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，出現(xiàn)曲線運(yùn)行界面。然后按“啟動(dòng)”使系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。此時(shí)計(jì)算機(jī)顯示時(shí)間為實(shí)驗(yàn)時(shí)間（可人工記錄時(shí)間），根據(jù)用戶要求可以設(shè)置恒溫區(qū)段，完成實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行試樣結(jié)果分析，可對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，亦可人工分析，并輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告。5、膨脹系數(shù)計(jì)算方法：試樣升溫達(dá)到測(cè)試溫度后，根據(jù)顯示結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)人工計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。計(jì)算機(jī)測(cè)試的結(jié)果為整個(gè)過(guò)程溫度點(diǎn)的試樣膨脹系數(shù)，根據(jù)輸出結(jié)果，選擇所需要的點(diǎn)。6、膨脹值數(shù)字顯示方式的調(diào)整與校正①零點(diǎn)：膨脹值采用智能數(shù)字式儀表進(jìn)行顯示，應(yīng)將518P顯示儀表按其說(shuō)明調(diào)整好的所需參數(shù)和量程。開(kāi)啟儀表電源，并接好各線，所顯示不在“0”位，可通過(guò)調(diào)零旋鈕使其回到零點(diǎn)。②量程校正將50㎜長(zhǎng)兩端磨平的圓棒放入試樣區(qū)，測(cè)試桿頂緊圓棒，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使膨脹值指示儀表至2000左右?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果與分析】線膨脹百分率計(jì)算公式：SKIPIF1<0平均線膨脹系數(shù)計(jì)算公式：SKIPIF1<0兩公式中：L：試樣室溫時(shí)的長(zhǎng)度（um）；Kt：測(cè)試系統(tǒng)t時(shí)補(bǔ)償值um△Lt：試樣加熱至t℃時(shí)測(cè)得的線變量即記錄值（um）t：試樣加熱溫度℃；t0：試樣加熱前的室溫℃計(jì)算機(jī)和儀表顯示的位移單位均為um。儀器的補(bǔ)償值Kt需要用戶自己預(yù)先測(cè)定和計(jì)算，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專用程序測(cè)試完成。求補(bǔ)償值Kt方法是：1000℃以下用石英標(biāo)樣；1000℃以上用高純剛玉標(biāo)樣作試樣，進(jìn)行升溫測(cè)試，記錄出標(biāo)樣測(cè)試曲線，曲線中包括了標(biāo)樣、試樣管及測(cè)試桿的綜合膨脹值。而補(bǔ)償值Kt應(yīng)只是試樣管及測(cè)試桿在相應(yīng)溫度下的綜合膨脹值，所以應(yīng)將標(biāo)樣在相應(yīng)溫度下的膨脹值，從測(cè)試數(shù)據(jù)中相應(yīng)溫度下的膨脹量中扣除后剩下的膨脹量即為儀器在相應(yīng)溫度下的補(bǔ)償Kt。而標(biāo)樣的膨脹系數(shù)為已知的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。【思考題】1．本實(shí)驗(yàn)所用儀器的測(cè)試原理是什么？2．分析本實(shí)驗(yàn)中各物理量的測(cè)量結(jié)果，哪一個(gè)對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差影響較大？3．熱膨脹系數(shù)對(duì)材料的應(yīng)用有何重要意義？試討論微電子電路基板材料、釉面磚、與金屬封接的玻璃材料和測(cè)量標(biāo)尺材料對(duì)熱膨脹特性的要求。實(shí)驗(yàn)二電介質(zhì)材料的室溫絕緣電阻測(cè)定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.通過(guò)測(cè)試電阻率，了解陶瓷材料的電學(xué)特性；2.了解超高值絕緣電阻測(cè)試儀(簡(jiǎn)稱高阻儀)的基本原理，掌握使用高阻儀測(cè)定陶瓷材料的體積電阻，表面電阻和絕緣電阻的方法；3.分析影響材料絕緣電阻測(cè)試結(jié)果的因素?！緦?shí)驗(yàn)原理】電阻和電阻率重要的電學(xué)基本量，也是電子材料和元器件的主要電氣參數(shù)之一。準(zhǔn)確的測(cè)量對(duì)于制造和使用以及性能研究都有極其重要的意義。通常所說(shuō)的電阻值是指直流電阻值，即在電子元器件或材料兩端施加一直流電壓U與其通過(guò)的穩(wěn)態(tài)電流I之比值，即R=U/I（2－1）作為絕緣材料的電阻，稱為絕緣電阻。電流I分為表面電流IS與體積電流IV,實(shí)際電阻由兩部分構(gòu)成，表面電阻RS和體積電阻RV,即RS=U/ISRV=U/IV（2－2）對(duì)于材料，可以分別測(cè)得表面電阻和體積電阻，這對(duì)研究材料的性能是極為重要的。但是阻值大小并不能反映出材料本身的特性，因而不能作為材料的電性能參數(shù)，應(yīng)引入電阻率概念。電阻率，就是單位長(zhǎng)度上所承受的直流電壓（即直流電場(chǎng)強(qiáng)度E）與單位面積所通過(guò)的穩(wěn)態(tài)電流（即電流密度J）之比，即：ρ＝E/J（2－3）因此，體積電阻率ρV就是沿著體積電流方向的直流電場(chǎng)強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)電流密度之比，即ρV＝EV/JV（2－4）對(duì)于平板試樣，則ρV＝EV/JV=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=RVSKIPIF1<0=RVSKIPIF1<0（2－5）式中A－電極面積（M2）L－電極間的距離，即試樣的厚度（m）注意：由于表面電阻率在很大程度上取決于材料的表面狀態(tài)，當(dāng)表面吸附半導(dǎo)體雜質(zhì)和水份時(shí)，將明顯地影響表面電阻率的大小，而且測(cè)量表面電阻很難完全避免體積電流的影響，通常都以體積電阻率作為衡量材料導(dǎo)電性能的參數(shù)，而不過(guò)多關(guān)注材料的表面電阻率。常見(jiàn)的電阻測(cè)量方法：一中阻的測(cè)量中阻的測(cè)量是電阻測(cè)量的基礎(chǔ)，其測(cè)量方法主要有：電流電壓測(cè)量法，電橋測(cè)量法，補(bǔ)償測(cè)量法，其中以電橋測(cè)量法為主。這是因?yàn)殡娏麟妷悍?，借助于伏特表，安培表測(cè)量，雖然使用方便，測(cè)量簡(jiǎn)單，成本低廉，但是測(cè)量準(zhǔn)確度不高，故只在要求不高的場(chǎng)合中使用。電橋法測(cè)量最突出的優(yōu)點(diǎn)是精度較高。目前使用的電橋種類很多，如箱式電橋，滑線式電橋；平衡電橋，不平衡電橋；直流電橋，交流電橋等。二高阻的測(cè)量高阻和超高阻的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是微小電流的測(cè)試問(wèn)題，解決了微小電流的測(cè)試技術(shù)，就可以解決絕緣介質(zhì)材料的電阻率，高阻半導(dǎo)體元器件電阻率和精密高電阻元件的測(cè)試。高阻和超高阻測(cè)量除了阻值不十分高場(chǎng)合下仍可采用電橋法測(cè)量外，還可以用下列方法測(cè)量：１自放電法自放電法是將絕緣材料試樣或電容器充放電達(dá)電源電壓U0, 然后切斷電源，讓電荷通過(guò)試樣或電容器本身絕緣電阻放電，測(cè)量試樣兩端的電壓變化，從而確定其絕緣電阻值。２高阻計(jì)法電阻率的測(cè)試可用高阻計(jì)或檢流計(jì)。由于陶瓷材料的絕緣電阻高，在1011歐姆以上，而檢流計(jì)一般只能測(cè)量1012W以下的絕緣電阻，因此，大多采用高阻計(jì)。高阻計(jì)法是利用電子放大原理，將通過(guò)試樣的微小直流電流經(jīng)放大后再測(cè)量。目前己做成專用的測(cè)量?jī)x器，通稱為高阻計(jì)。高阻測(cè)試儀測(cè)試原理如圖所示。測(cè)試時(shí)，被測(cè)試樣與高阻抗直流放大器的輸入電阻串聯(lián)并跨接于直流高壓測(cè)試電源上（由直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生）。高阻抗直流放大器將其輸入電阻上的分壓訊號(hào)經(jīng)放大輸出至指示儀表，由指示儀表直接讀出被測(cè)絕緣電阻值。儀器作為微電流測(cè)量時(shí)，僅利用高阻抗直流放大器，將被測(cè)微電流訊號(hào)進(jìn)行放大，由指示儀表直接讀出。圖2-1高阻計(jì)測(cè)試原理圖在測(cè)量時(shí)，為了把體積電流與表面電流分開(kāi)，測(cè)得體積電阻與表面電阻，把試樣上的電極做成環(huán)形、測(cè)量電極和高壓電極組成三電極系統(tǒng)，試樣和電極的尺寸參見(jiàn)介電常數(shù)與介電損耗的測(cè)試。將試樣分別接入測(cè)試線路，便可測(cè)出體積電阻和表面電阻。影響體積電阻率和表面電阻率測(cè)試的主要因素是溫度和濕度、電場(chǎng)強(qiáng)度、充電時(shí)間及殘余電荷等。溫度和濕度：固體絕緣材料的絕緣電阻率隨溫度和濕度的升高而降低，特別是體積電阻率隨溫度改變而變化非常大。因此，電瓷材料不但要測(cè)定常溫下的體積電阻率，而且還要測(cè)定高溫下的體積電阻率，以評(píng)定其絕緣性能的好壞。由于水的電導(dǎo)大，隨著濕度增大，表面電阻率和有開(kāi)口孔隙的電瓷材料的體積電阻率急劇下降。因此，測(cè)定時(shí)應(yīng)嚴(yán)格地按照規(guī)定的試樣處理要求和測(cè)試環(huán)境條件進(jìn)行。電場(chǎng)強(qiáng)度：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度比較高時(shí)，離子的遷移率隨電場(chǎng)強(qiáng)度增高而增大，而且在接近擊穿時(shí)還會(huì)出現(xiàn)大量的電子遷移，這時(shí)體積電阻率大大地降低。因此在測(cè)定時(shí)，施加的電壓應(yīng)不超過(guò)規(guī)定的值。充電時(shí)間：由于介質(zhì)有吸收現(xiàn)象，當(dāng)直流電壓加于試樣后，通過(guò)試樣的電流隨時(shí)間的增加而逐漸減少，漸近一極限值——漏導(dǎo)電流。在測(cè)定時(shí)，其讀數(shù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)它的“電阻—時(shí)間”曲線來(lái)確定，通常讀數(shù)時(shí)間規(guī)定為一分鐘。殘余電荷：試樣在加工和測(cè)試等過(guò)程中，可能產(chǎn)生靜電，電阻越高越容易產(chǎn)生靜電，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，在測(cè)量時(shí)，試樣要徹底放電，即可將幾個(gè)電極連在一起進(jìn)行短路?！緦?shí)驗(yàn)器材和裝置】ZC36型高阻計(jì)是一種直流式的超高電阻計(jì)和微電流兩用儀器。儀器的最高量限1017Ω電阻值和10-14A微電流。適用于科研、工廠、學(xué)校、對(duì)絕緣材料、電工產(chǎn)品、電子設(shè)備以及元件的絕緣電阻測(cè)量和高阻兆歐電阻的測(cè)量，也可用于微電流測(cè)量。圖2-2ZC36型高阻計(jì)【實(shí)驗(yàn)步驟】一、準(zhǔn)備工作1．接通電源前的準(zhǔn)備工作：(1)查電源聯(lián)系是否正確，試電壓選擇開(kāi)關(guān)置于放電位置，測(cè)試電壓旋鈕放在最低檔（10V擋）。(2)率旋鈕放在最低量程上，將電表“+”、“一”極性開(kāi)關(guān)放在“+”的一邊。輸入短路開(kāi)關(guān)應(yīng)放在短路位置，使放大器輸入端短路。(3)電表機(jī)械零點(diǎn)處于零出。2．接通電源及預(yù)熱將電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，預(yù)熱15分鐘。（若用高倍率擋時(shí)應(yīng)預(yù)熱1小時(shí)），儀器連接線接好，操作儀器，使高阻表處于備用狀態(tài)。儀器的連接：(1)整“調(diào)零”旋鈕，使電表指針在“0”點(diǎn)。(對(duì)歐姆刻度即“∞”點(diǎn))(2)電纜線一端接在高阻儀面板上的輸入插座中，另一端接至電極箱一側(cè)的測(cè)量插座中并旋緊固定套。(3)測(cè)試電源線一端接在高阻儀面板上的測(cè)試電壓接線柱Rx上（紅色），另一端接至電極箱一側(cè)的測(cè)試電壓接線柱上（紅色）。(此時(shí)高阻儀面板上的“放電一測(cè)試”開(kāi)關(guān)應(yīng)置于“放電位置”。)(4)將接線地線一端接至高阻儀面板上的接地端鈕上，另一端接到電極箱的接地端鈕上，然后一并接地。二、測(cè)試樣品的連接將充分放電及干燥處理的試樣(即當(dāng)試樣末加壓時(shí)，應(yīng)在儀器上沒(méi)有明顯的指示值)的三個(gè)電極引線分別接于電極箱內(nèi)相應(yīng)的三個(gè)接線柱上，關(guān)閉電極箱蓋。三、測(cè)量體積電阻值Rv：1將Rv、Rs轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)旋至Rv處。2將電壓選擇開(kāi)關(guān)置于所需要的測(cè)試電壓位置上，將“倍率選擇”旋鈕選至所需的位置。(在不了解測(cè)試值的數(shù)量級(jí)時(shí)，倍率應(yīng)從低次方開(kāi)始選擇。3將“放電、測(cè)試”開(kāi)關(guān)放在“測(cè)試”位置，檢查電壓應(yīng)選擇的位置，打開(kāi)輸入短路開(kāi)關(guān)(即按鈕抬起來(lái))，讀取加上測(cè)試電壓1分鐘，指示電表顯示的電阻值。讀數(shù)完畢，將“倍率”打回“10-1”檔。四、測(cè)量表面電阻值Rs：1將Rv、Rs轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)旋至Rs處。2將電壓選擇開(kāi)關(guān)置于所需要的測(cè)試電壓位置上，將“倍率選擇”旋至所需要的位置。(在不了解測(cè)試值的數(shù)量級(jí)時(shí)，倍率應(yīng)從低次方開(kāi)始選擇。)3將“放電、測(cè)試”開(kāi)關(guān)放在“測(cè)試”位置，檢查應(yīng)選擇的位置，打開(kāi)輸入短路開(kāi)關(guān)(即按鈕抬起來(lái))，讀取加上測(cè)試電壓60秒，指示電表顯示的電阻值。讀數(shù)完畢，將“倍率”打回“10-1”檔。4接入短路開(kāi)關(guān)，將“放電、測(cè)試”開(kāi)關(guān)打回到“放電”位置。更換試樣，重復(fù)以上操作，待全部試樣測(cè)量完畢后，切除電源，除去各種連接線，按要求整理、放置好儀器，報(bào)告指導(dǎo)教師。待教師檢查完畢后，方可離開(kāi)。五、數(shù)據(jù)及處理：1將測(cè)得的數(shù)據(jù)填入下列表格的相應(yīng)格中，用所測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算各試樣的體積電阻率ρV，及表面電阻率ρS，并填入表內(nèi)。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)試分析產(chǎn)生誤差的原因，及采取哪些縮小誤差的措施。表2-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表【注意事項(xiàng)】為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量應(yīng)不少于3個(gè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意不要觸摸測(cè)試儀的電壓輸出輸入端以防觸電。環(huán)境條件如溫度﹑濕度﹑氣壓，以及樣品表面不清潔等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。絕緣電阻測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保持樣品表面清潔干燥、避免用手直接觸摸引起污染，導(dǎo)致電阻測(cè)試誤差?！舅伎碱}】進(jìn)行材料電阻率測(cè)定有何實(shí)際意義？如何區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體？哪些因素對(duì)材料的電阻率有影響？嘗試分析測(cè)定時(shí)間、溫度、濕度、測(cè)定電壓、接觸電極材料、間隙寬度和測(cè)試回路中標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)測(cè)定的影響。試討論材料的電阻率與介電損耗之間的內(nèi)在聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)三材料的介電常數(shù)溫度特性測(cè)試【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握瓷介電容器介電常數(shù)的溫度特性；2、測(cè)量幾種介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切（tand）與溫度的關(guān)系，從而了解它們的ε、tand的溫度特性?！緦?shí)驗(yàn)儀器】TH2828S型寬頻LCR測(cè)量?jī)x、溫度控制器、低溫測(cè)試溫箱、計(jì)算機(jī)、電介質(zhì)陶瓷樣品圖3-1低溫介電溫度特性測(cè)試系統(tǒng)【實(shí)驗(yàn)原理】1、BaTiO3的結(jié)構(gòu)與自發(fā)極化BaTiO3的相變：三方--斜方--四方--立方--六方

圖3-2BaTiO3的相變及介電常數(shù)的溫度特性關(guān)系自發(fā)極化產(chǎn)生的原因rO2-+rTi4+=1.33+0.64=1.97?，而rBa2+大，故氧八面體間隙大，Ti4+－O2-間距大（2.005?），因而Ti4+離子能在氧八面體中震動(dòng)。當(dāng)T>120℃，Ti4+處在各方幾率相同（偏離中心，幾率為零），對(duì)稱性高，順電相。當(dāng)T<120℃，Ti4+由于熱漲落，偏離一方，形成偶極矩，按氧八面體三組方向相互傳遞、偶合，形成自發(fā)極化電疇。在鐵電體中ε的大小正比于單位電場(chǎng)所轉(zhuǎn)向的自發(fā)極化矢量也就是說(shuō)，自發(fā)極化強(qiáng)度Ps愈大，電疇愈容易為外電場(chǎng)所定向，其ε愈大。BaTiO3陶瓷的ε與材料的溫度，外電場(chǎng)，頻率有關(guān)，不論90°疇180°疇與外加電場(chǎng)，溫度的高低有關(guān)。在居里點(diǎn)附近純BaTiO3瓷的介電常數(shù)有急劇變化的特性，其變化率甚至可達(dá)4-5個(gè)數(shù)量級(jí)，而當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)Tc后，隨著溫度升高，介電常數(shù)下降，介電常數(shù)隨溫度的變化遵從居里-外斯定律：（4－1）式中：t0-特性溫度，它一般低于居里溫度（對(duì)BaTiO3來(lái)說(shuō)約低10℃～11℃）；k-居里常數(shù)（對(duì)BaTiO3來(lái)說(shuō)，k=1.6～1.7×105℃）；ε0-表示電子極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)，一般情況下，ε0所占比重很小，可忽略。從式1可以看出在居里點(diǎn)以上，隨溫度T的升高，介電常數(shù)ε迅速下降：距離居里溫度愈近，下降的程度就愈大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)所引起的：以BaTiO3為代表的鐵電晶體是一種ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。A位為低價(jià)、半徑較大的Ba離子，它和氧離子一起按面心立方密堆；B位為高價(jià)、半徑較小的Ti離子，處于氧八面體的體心位置。依據(jù)斯萊特-德文希爾理論：當(dāng)溫度低于1460℃高于120℃時(shí)BaTiO3屬于立方晶系，所有的氧八面體均以頂角相連，構(gòu)成了三維氧八面體族。這種具有對(duì)稱性較高的立方BaTiO3并不具鐵電性，屬于一般的順電介質(zhì)。當(dāng)溫度降至120℃以下時(shí)，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆綄?duì)稱，c軸略有伸長(zhǎng)，a,b軸略有縮短。c/a≈1.01，因此具有沿c軸自發(fā)極化的鐵電性。這是由于在鈦氧八面體中，正負(fù)電荷的作用中心產(chǎn)生位移，出現(xiàn)電偶極矩，按氧八面體三維方向相互傳遞、耦合的結(jié)果。在一定的空間范圍內(nèi)，這些偶極子都按照統(tǒng)一方向排列，形成所謂自發(fā)極化電疇。2、鐵電體的介電性能鐵電體中ε的大小，可以簡(jiǎn)約地認(rèn)為是：正比于能為單位電場(chǎng)所反轉(zhuǎn)(或所定向)的自發(fā)極化矢量，即：ε=1+4πPs/E

（4－2）其中，Ps為自發(fā)極化矢量，E為所加外電場(chǎng)強(qiáng)度。所以，只要自發(fā)極化強(qiáng)度大，而且又容易為外電場(chǎng)所轉(zhuǎn)向時(shí)，其ε才大。在居里點(diǎn)附近的相變區(qū)域，由于晶格結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，其自發(fā)極化強(qiáng)度Ps定向激活能和疇壁運(yùn)動(dòng)激活能最小，很容易被外電場(chǎng)所定向，因而在居里點(diǎn)出現(xiàn)ε的峰值；而0℃～120℃之間ε的下陷，則是由于結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，疇壁難于運(yùn)動(dòng)的緣故。這就導(dǎo)致居里點(diǎn)附近ε值有十分強(qiáng)烈的變化。針對(duì)實(shí)際電路的使用要求并利用陶瓷的不同介電特性，可以制備不同比容特性、溫度特性、頻率特性、功率特性的電容器。電容器容量C與陶瓷介電常數(shù)之間的基本關(guān)系是:（4－3）式中，為真空下的介電常數(shù)；S為電極面積；d為介質(zhì)厚度。Ⅱ類瓷介電容器介電常數(shù)的溫度特性可用下式來(lái)表示：（4－4）由于對(duì)于同一樣品，、S、d不變，所以，介電常數(shù)的溫度特性可以用電容量溫度特性來(lái)表示：（4－5）對(duì)不同溫度特性的Ⅱ類瓷介電容器，其介電常數(shù)的溫度特性有其具體的要求。例如：（根據(jù)EIA標(biāo)準(zhǔn)）X7R陶瓷材料的X7R是指一種溫度特性。"X"表示溫度為"-55℃"，"7"表示溫度為"+125℃"，"R"表示在-55℃--+125℃的溫度范圍內(nèi)，室溫（25℃）下的電容量（介電常數(shù)）與-55℃及+125℃時(shí)的電容量（或介電常數(shù)）之差被25℃時(shí)的電容量（或介電常數(shù)）除所得商值≤±15%，具體為（C25℃-C-55℃）/C25℃，（C25℃-C125℃）/C25℃≤±15%。Y5V表示表示在-30℃--+85℃的溫度范圍內(nèi)，相對(duì)25℃介電常數(shù)的變化率下限為≤-82%，上限為≤+30%。從測(cè)定的C-T曲線，可得到以下數(shù)據(jù)：(1)C25℃--對(duì)應(yīng)于溫度為趨于25℃時(shí)的電容值(2)Ct--對(duì)應(yīng)于溫度為t時(shí)的電容值(3)根據(jù)C25℃、Ct帶入（5）式就可以計(jì)算出Ⅱ類瓷介電容器介電常數(shù)的溫度特性【實(shí)驗(yàn)步驟】1、檢查各儀器設(shè)備之間是否正確連接，將被測(cè)樣品安放在測(cè)試夾具上；2、將LCR儀、溫控儀和測(cè)試溫箱通上電源，打開(kāi)計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件進(jìn)行校準(zhǔn)；3、依次按照要求設(shè)置測(cè)試參數(shù)、頻率選擇、溫度參數(shù)好樣品參數(shù)等；4、開(kāi)始測(cè)試采集數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)束后拷貝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照要求整理關(guān)閉儀器、電源?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論】實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（1）介電常數(shù)與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)表3-1介電性能與溫度關(guān)系樣品名稱樣品編號(hào)測(cè)試電壓樣品尺寸溫度/℃電容值/nF介電損耗介電常數(shù)（2）根據(jù)上述數(shù)據(jù)采用Origin軟件繪制對(duì)應(yīng)的△C/C(％)~T(℃)曲線、ε~T曲線及tgδ~T曲線?！舅伎碱}】BaTiO3陶瓷的居里溫度對(duì)應(yīng)起晶體結(jié)構(gòu)的何種相變？溫度穩(wěn)定型電介質(zhì)的具體含義是什么，其應(yīng)用如何？舉例介電常數(shù)溫度特性為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的典型材料體系。實(shí)驗(yàn)四壓電材料諧振峰與反諧振峰的測(cè)定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私鈮弘娬褡拥恼駝?dòng)模式預(yù)計(jì)電耦合系數(shù)；自行設(shè)計(jì)壓電振子并確定其振動(dòng)模式；掌握壓電振子的電學(xué)等效模型及其諧振特點(diǎn)?！緦?shí)驗(yàn)原理】根據(jù)諧振理論，壓電振子在最小阻抗頻率SKIPIF1<0附近，存在一個(gè)使信號(hào)電壓與電流同位相的頻率，這個(gè)頻率就是壓電振子的諧振頻率SKIPIF1<0，同樣在最大阻抗頻率SKIPIF1<0附近存在另一個(gè)使信號(hào)電壓與電流同位相的頻率，這個(gè)頻率叫壓電振子的反諧振頻率SKIPIF1<0。由于壓電參數(shù)的計(jì)算是由諧振—反諧振法測(cè)定，可測(cè)得全套數(shù)據(jù)。對(duì)于機(jī)電耦合系數(shù)，要根據(jù)不同的振動(dòng)模式選擇樣品，通常激發(fā)其某一振動(dòng)模式，測(cè)出兩個(gè)特征頻率（諧振頻率及反諧振頻率），算出相應(yīng)的系數(shù)。SKIPIF1<0為串聯(lián)諧振頻率（諧振頻率），SKIPIF1<0為并聯(lián)諧振頻率（反諧振頻率）。彈性常數(shù)是反映彈性體的形變與作用力之間關(guān)系的參數(shù)。應(yīng)力改變一個(gè)單位時(shí)所引起的應(yīng)變變化量成為彈性柔順常數(shù)，而使物體的應(yīng)變一個(gè)單位時(shí)所需要的應(yīng)力變化量稱為彈性剛度常數(shù)。由于壓電晶體的彈性常數(shù)的值與電學(xué)邊界條件有關(guān)，在電場(chǎng)強(qiáng)度為零（或常數(shù)）時(shí)測(cè)得的彈性常數(shù)稱為短路彈性常數(shù)，加上標(biāo)E表示；在電位移為零（或常數(shù)）時(shí)測(cè)得的彈性常數(shù)稱為開(kāi)路彈性常數(shù)，加上標(biāo)D表示。sij的第一個(gè)足標(biāo)i表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分量為Si，第二個(gè)足標(biāo)j表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分量為T(mén)j。介電常數(shù)是表示在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)的電位移隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化的參數(shù)。對(duì)于壓電晶體來(lái)說(shuō)，介電常數(shù)的數(shù)值與力學(xué)邊界條件有關(guān)。在應(yīng)力為零（或常數(shù)）時(shí)測(cè)得的介電常數(shù)稱為自由介電常數(shù)，加上標(biāo)T表示。在應(yīng)變?yōu)榱悖ɑ虺?shù)）時(shí)測(cè)得的介電常數(shù)稱為受夾介電常數(shù)，加上標(biāo)S表示。壓電晶體的主要特點(diǎn)是，它的彈性性質(zhì)和介電性質(zhì)之間存在著耦合關(guān)系，壓電常數(shù)就是反映這話?cǎi)詈详P(guān)系的參數(shù)。它們是聯(lián)系二階對(duì)稱張量（應(yīng)變S和應(yīng)力T）和矢量（電位移D和電場(chǎng)強(qiáng)度E）的三階張量。壓電常數(shù)不僅與應(yīng)力T和應(yīng)變S有關(guān)，而且與電場(chǎng)強(qiáng)度E和電位移D有關(guān)。因此，我們可以從不同的側(cè)面來(lái)反映彈性性質(zhì)和介電性質(zhì)之間的耦合關(guān)系?？偣灿兴姆N壓電常數(shù)，除dij以外，還有g(shù)ij、eij和hij（i=1，2,3；j=1,2,...,6）?！緦?shí)驗(yàn)器材和裝置】TH2818型LCR自動(dòng)平衡電橋、頻譜測(cè)試軟件、計(jì)算機(jī)、PZT壓電陶瓷樣品。【實(shí)驗(yàn)步驟】1、檢查各儀器設(shè)備之間是否正確連接，將被測(cè)樣品安放在測(cè)試夾具上；2、將LCR儀通上電源，打開(kāi)計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件進(jìn)行校準(zhǔn)；3、依次按照要求設(shè)置頻率范圍、測(cè)試步長(zhǎng)等；4、開(kāi)始測(cè)試采集數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)束后拷貝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照要求整理關(guān)閉儀器、電源?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論】實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（1）介電常數(shù)與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)表4-1介電性能與頻率關(guān)系樣品名稱樣品編號(hào)測(cè)試電壓樣品尺寸頻率/Hz阻抗的模阻抗角/°（2）根據(jù)上述數(shù)據(jù)采用Origin軟件繪制對(duì)應(yīng)的|Z|~F(Hz)曲線、ε~T曲線,找出諧振峰與反諧振峰，確定諧振頻率與反諧振頻率。實(shí)驗(yàn)五壓電材料的壓電常數(shù)d33實(shí)驗(yàn)測(cè)定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解壓電陶瓷的壓電效應(yīng)2掌握壓電常數(shù)d33的物理意義及測(cè)量方法【實(shí)驗(yàn)原理】壓電性，就是某些晶體材料能按所施加的機(jī)械應(yīng)力成比例的產(chǎn)生電荷的能力。當(dāng)對(duì)這類晶體在一定方向上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，在其兩端表面上會(huì)出現(xiàn)數(shù)量相等，符號(hào)相反的束縛電荷；作用力反向時(shí)，表面電荷性質(zhì)亦相反，而且在一定范圍內(nèi)電荷密度與作用力成正比。反之，其在一定方向的電場(chǎng)作用下，則會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。前者稱為正壓電效應(yīng)，后者稱為逆壓電效應(yīng)，統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體。晶體的壓電效應(yīng)的本質(zhì)是因?yàn)闄C(jī)械作用引起了晶體介質(zhì)的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。在正壓電效應(yīng)中，電荷與應(yīng)力是成比例的：D＝dT（5－1）式中，D－介質(zhì)電位移C/M2;T－應(yīng)力N/M2;d－壓電常數(shù)C/N對(duì)于逆壓電效應(yīng)，其應(yīng)變S與電場(chǎng)強(qiáng)度（V/M）的關(guān)系為