第三章材料物理性能复习进程.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,L o g o,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第三章材料物理性能,本章,主要内容,电介质及其极化,压电性和热释电性,铁电性,1.,以,电荷长程迁移,即,传导,的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即,导电材料,；,材料对外电场作用的响应,2.,以,感应的方式,对外电场作出响应，即沿电场方向产生,电偶极矩,或,电偶极矩的改变,，这类材料称为,电介质,；这种现象称为,电介质的极化。,。,极化,绝缘体电介质,将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律,:J=,E,，其中,J,为电流密度，,E,电场强度，而,为电导率张量,(,二阶对称张量,),。电导率反映了物质的电荷传输特性或电荷长程迁移特性。,物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为,极化,(Polarization),，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生,电偶极矩,。而,以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质,。显然，,电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷,。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。,传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式,，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。,电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同的两个概念。,绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。,虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。,介电材料和绝缘材料是电子与电气工程中不可缺的功能材料。,3.1,电介质及其极化,3.1.1,平板电容器及其电介质,电容：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量,电容的单位是法拉，简称法，符号是,F,毫法,(mF),、微法,(F),、纳法,(nF),和皮法,(pF),3.1.2,介电常数,1,）材料因素：,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，,CC,0,真空介电常数：,0,=8.8510,-12,F.m,-1,(,法拉,/,米,),相对介电常数：,r,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,10,2,-10,10,3.78,金刚石,直流,6.6,-SiC,直流,9.70,多晶,ZnS,直流,8.7,聚乙烯,60,2.28,聚氯乙烯,60,3.0,聚甲基丙烯酸甲酯,60,3.5,钛酸钡,10,6,3000,刚玉,60,9,3,）电介质的极化：,介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料,电介质：在电场作用下能建立极化的物质。,在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外电场时，,在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷,，这些电荷称为,感应电荷,或,束缚电荷,。,极化：电介质在电场作用产生束缚电荷的现象。,+,偶极子,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,自由电荷,束缚电荷,3.1.2,极化相关的物理量,1,）电偶极矩：,带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形成电偶极矩。,对于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。,电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构,.,极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。,2,）极化强度,P,：,电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子表面电荷密度,；,Xe:,电极化率,不同材料具有不同的值。,它和实际有效电场有关，实际电场包括,(1),外加电场；,(2),极化电荷自身的电场,可以证明：,所以有：,令电位移,D,为：,代入得：,在各向同性的电介质中，电位移等于场强的,倍。,1.,电子位移极化,无外电场作用,+,E,-,3.1.3,极化机制,电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移，形成电矩，称电子的位移极化。,特点：,1.,范围：一切气体、液体及固体介质中,2.,能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引起能量损耗,3.,与频率关系：由于电子质量轻，极化速度快，,10,-14,-10,-15,秒，,在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关,其平均极化率为：,2.,离子位移极化,离子位移极化：电介质中的正负离子在电场作用下发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动。由此形成的极化称为离子位移极化。,离子在电场作用下偏移平衡位置的移动相当于形成一个,感生偶极矩。,E,特点：,1.,范围：由离子键构成的电介质中,2.,能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。有微量能量损耗,3.,与频率关系：极化完成时间约为,l0,-12,-10,-13,s,。,离子位移极化率：,式中：,a,为晶格常数；,n,为电子层斥力指数，,对于离子晶体,n,为,7-11,3,、松弛极化（驰豫极化）,1,）,.,松弛极化,当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定的温度下发生极化。这种极化具有统计性质，叫做松弛极化。,2,）,.,特点,松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大。因此这种,极化建立的时间较长,(,可达,10,-2,-10,-9,秒,),，需要吸收一定的能量，是一种,非可逆,的过程。,3,）,.,类型,松弛极化包括离于松弛极化，电子松弛极化和偶极子松弛极化，多发生在,晶体缺陷区或玻璃体内,。,（一）电子松弛极化,电子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化。,1.,弱束缚电子：,晶格的热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学组成的局部改变等因素都能使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子。,2.,电子松弛极化：,电介质在外电场作用下，其中弱联系电子能在一定范围内作定向运动，造成电荷分布不均匀，引起的极化。,外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性，形成极化状态。这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过 程，所以叫电子松弛极化。,电子松弛极化的过程是不可逆的，必然有能量的损耗。,19,（二）离子松弛极化,离子式电解质在外电场作用下，其中的,弱联系离子,能在一个或几个离子范围内作定向运动，以致内部电荷分布不均匀，而引起的极化。,1,）,强联系离子：,在完整的离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低，最稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联,系离子。它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化。,2),弱联系离子：,在玻璃态物质、结构松散的离于晶体中以及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被活化迁移的离子，称为弱联系离子。,弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是,不可逆,的迁移。这种迁移的行程比弹性位移距离大。,20,T,a,极化率；,q,为离子荷电量；,为弱离子电场作用下的迁移；,温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。,离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。,离子松弛极化率：,4.,转向极化,(,取向极化）,偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩，但因热运动缘故，它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电矩为零。但,有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。,这种极化所需时间较长，约,10,-2,10,-10,s,且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。在极化过程中要消耗能量。,转向极化主要发生在,极性分子介质,中。具有恒定偶极矩,的分子称为极性分子。,在外场不是很高时，取向极化率：,无外场时的均方偶极距,比电子极化大,2,个数量级，但由于分子质量大，极化建立时间慢，约为,10,-2,10,-10,s,。,5.,空间电荷极化,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,，都可成为自由电荷（,电子、离子,）运动的障碍；,在障碍处，自由电荷积聚，形成,空间电荷极化,。,这种极化所需时间最长，约几秒到数十分钟，甚至数十小时。,-,-,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,+,+,+,+,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,各种极化形式的比较,6,、自发极化,是一种特殊的极化方式。自发极化不是由外加电场引起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类晶体中，每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体称为极性晶体。,自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中。,3.1.4,宏观极化强度和微观极化率的关系,(1),作用于分子、原子上的有效电场（,局部电场）,Eloc,：,作用于分子、原子上的有效电场,外加电场,E,0,电介质极化形成的退极化场,E,d,周围的荷电质点作用形成,E,i,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,E,0,E,d,E,i,E,宏,=E,0,+Ed,质点位置上的局部电场,E,loc,（有效电场）：,E,loc,=E,0,+E,d,+P/3,o,对于,气体质点,，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。,对于,固体介质,，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。,周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。,（,2,）,.,克劳修斯,-,莫索堤方程,克劳修斯,-,莫索堤方程,克劳修斯,-,莫索堤方程的意义：,建立了可测物理量,r,（宏观量）与质点极化率,（微观量）之间的关系。,相对介电常数,偶极子种类,极化率,偶极子数目,宏观介电常数,微观介电机制,电子位移极化,离子位移极化,取向极化,空间电荷极化,从克劳修斯,-,莫索堤方程：讨论高介电常数的质点：,（,r,1,）,/,（,r,+2,）,=n,/,（,3,o,）,（,r,1,）,/,（,r,+2,）,-,r,越大其值越大,克劳修斯,-,莫索堤方程的适用范围：,适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。,介质中质点,极化率大,，极化介质中,极化质点数多,，则介质具有,高介电常数,。,电介质在电场作用下，内部通过的电流包括：,：,电容电流：,由样品的几何电容的充电引起电流；,：,介质极化的建立引起的电流,：与极化的松弛（驰豫）过程有关；,：,介质的电导（漏导）造成的电流,：与自由电荷有关。,3.2,交变电场下的电介质,3.2.1,复介电常数和介质损耗,在,真空中的平行平板式电容器,两极板上加交变电压,U=U,o,e,i,t,，电容上的电流与外电压相差,90,o,的位相,。,由,Q=C,o,U,U=Q/C,o,=Idt/C,o,I=C,o,dU/dt,电容上的电流：,I,c,=iC,o,U,两极板间填充相对介电常数为,r,的,理想介电材料,（绝缘、非极性），,电容上的电流：,I=iCU=i,r,C,o,U=,r,I,c,电容上的电流与外电压仍相差,90,o,的位相,如果介质有微弱的导电,，则其中有一个与外加电压相位相同的小电流通过,（,I=,iCU+GU,）,U,iCU,设,电导,G,仅由自由电荷产生，则,:,G=,A/d,由于电容,:C=,r,0,A/d,则电流密度,:J=(,i,r,0,+)E=*E,复电导率,*,的定义：,*,=i,r,0,+,复介电常数,的定义：,损耗角正切,的定义：,表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，是评价电介质作为绝缘材料使用评价的参数。,德拜方程：,r,()=,r,+,rs,-,r,/(1+i),r,=,r,+,rs,-,r,/(1+,2,2,),（,r,(),的实部）,r,=,rs,-,r,/(1+,2,2,),（,r,(),的虚部）,tg=,r,/,r,=,其中：,rs,-,低频或静态时的相对介电常数,r,-,时的相对介电常数,德拜研究了电介质的,介电常数,r,、,反映介电损耗的,r,、,所加,电场的角频率,及,松弛时间,之间的关系。,3.2.2,介电松弛（弛豫）和德拜方程,0.1 1 10 ,r,rs,r,r,=1,，,r,最大，大于或小于,1,时，,r,都小，,即：松弛时间和所加电场的频率相比，松弛时间较长时，偶极子来不及转移定向，,r,就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，,r,也小。,空间电荷极化,松弛极化,离子极化,电子极化,工频 声频 无线电 红外 紫外,极,化,率,或,极化率和介电常数与频率的关系,3.2.3,介电损耗,分析,电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能称为介电损耗。,在直流电场下，,介质损耗率,p,：单位体积的介质损耗,介质损耗率取决于材料的,电导率,。,在交变电场下，介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关，所以,不仅决定于自由电荷电导，还由束缚电荷产生，与频率有关。,（,1,）频率的影响,介质损耗和频率、温度的关系,0,，,介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达到最大。介电损耗主要由漏导引起，与频率无关。,tg=/,0,，,tg,tg,当外加电场频率,逐渐升高,时，松弛极化在,某一频率,开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，,很高时，,r,r,r,趋于最小值。,，,tg0,r,tg,（,2,）温度的影响,T,很低时,r,较小,tg,较小,且,2,2,1,T,r,tan,Pw,T,较高时,2,2,1,T,tan,Pw,T,很高时,r,下降,tan,增大,陶瓷材料的损耗,电导损耗,取向极化和驰豫极化损耗,电介质结构损耗,高温、低频下，主要为电导损耗；,常温、高频下，主要为松弛极化损耗；,高频、低温下，主要为结构损耗；,1.,压电效应,3.4.1,压电性,3.4,压电性和铁电性,1880,年,J.,居里和,P.,居里兄弟发现，对,-,石英单晶体在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象为压电效应。（正压电效应）,居里兄弟发现压电效应后的第二年（即,1881,年），李普曼（,Lippmann,）依据热力学方法，推知应有逆压电效应存在，几个月后，居里兄弟从实验上验证了这一点。,正压电效应和逆压电效应统称为,压电效应。,1,）、正压电效应,对晶体材料在一定方向上施加压应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；如施加拉应力，则表面荷电性质反号。在一定范围内电荷密度与作用力大小成正比。,2,）、逆压电效应,在一定方向的电场作用下，具有压电效应的晶体材料会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。这种现象称为逆压电效应。,F,F,极化面,Q,压电效应及可逆性,正压电效应的,电位移,与施加的,应力,有如下关系：,D=dT,d:,压电常数,逆压电效应的,应变,与施加的,电场强度,有如下关系：,S=dE,d:,压电常数,注：正、逆压电效应的压电常数一样。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,压电体：,具有压电效应的物体称为压电体。,压电性：,某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变化，这样的性质称为压电性。,目前，已知压电体超过千种，可以是晶体，多晶体，聚合物、生物体。,广泛的生产应用：,“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”,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴,Z,Z,称为,光轴；,经过正六面体棱线，并垂直于光轴的,X,X,轴称为,电轴,；与,X,X,轴和,Z,Z,轴同时垂直的,Y,Y,轴（垂直于正六面体的棱面）称为,机械轴。,Z,X,Y,(,a,),(,b,),石英晶体,(,a,),理想石英晶体的外形,(,b,),坐标系,Z,Y,X,通常把沿电轴,X,X,方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“,纵向压电效应,”，而把沿机械轴,Y,Y,方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“,横向压电效应,”，沿光轴,Z,Z,方向受力则不产生压电效应。,2,、晶体压电性产生原因,-,石英,晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。,-石英,晶体属于离子晶体，无对称中心，化学组成是二氧化硅。石英晶体的硅离子,Si,4+,和氧离子,O,2-,在,Z,平面投影，如图,(,a,),。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图,(,b,),中正六边形排列，图中,“,”,代表,Si,4+,，,“,”,代表,2O,2-,。,(,b,),(,a,),+,+,-,-,-,Y,X,X,Y,硅氧离子的排列示意图,+,当作用力,F,X,=0,时，正、负离子（即,Si,4+,和,2O,2-,）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成,120,夹角的偶极矩,P,1,、,P,2,、,P,3,，如图（,a,）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即,P,1,P,2,P,3,0,当晶体受到沿,X,方向的压力（,F,X,0,在,Y,、,Z,方向上的分量为,（,P,1,+,P,2,+,P,3,）,Y,=0,（,P,1,+,P,2,+,P,3,）,Z,=0,由上式看出，在,X,轴的正向出现正电荷，在,Y,、,Z,轴方向则不出现电荷。,Y,+,+,+,-,-,-,X,(,a,),F,X,=0,P,1,P,2,P,3,F,X,X,Y,+,+,+,+,F,X,(,b,),F,X,0,+,+,+,-,-,-,P,1,P,2,P,3,可见，当晶体受到沿,X,(,电轴,),方向的力,F,X,作用时，它在,X,方向产生正压电效应，而,Y,、,Z,方向则不产生压电效应。,晶体在,Y,轴方向力,F,Y,作用下的情况与,F,X,相似。当,F,Y,0,时，晶体的形变与图（,b,）相似；当,F,Y,0,时，则与图（,c,）相似。由此可见，晶体在,Y,（即机械轴）方向的力,F,Y,作用下，使它在,Y,方向产生正压电效应，在,X,、,Z,方向则不产生压电效应。,（,P,1,+,P,2,+,P,3,）,X,0,Y,+,+,+,-,-,X,-,+,+,+,F,X,F,X,P,2,P,3,P,1,+,当晶体受到沿,X,方向的拉力（,F,X,0,）作用时，其变化情况如图（,c,）。此时电极矩的三个分量为,在,X,轴的正向出现负电荷，在,Y,、,Z,方向则不出现电荷。,压电效应与晶体的对称性有关。由前讨论可知，压电效应的本质是对晶体施加应力时，改变了晶体内的电极化，这种电极化,只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生,。,只有结构上没有对称中心，才有可能产生压电效应,而且必须是：电介质,（或至少具有半导体性质）；其结构必须有带正、负电荷的质点,-,离子或离子团存在,（离子晶体或离子团组成的分子晶体）,常用：,石英晶体，钛酸钡，钛酸铅，铋酸钼等,3.,压电材料主要的表征参数,（,1,）机电耦合系数,（,2,）机械品质因数,（,3,）压电常数,（,4,）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。,机电耦合系数,K,：,表征压电材料的机械能与电能之间的耦合关系，它的定义是,通过逆压电效应转换的机械能,储入的电能总量,K,2,=,储入的机械能总量,通过压电效应转换的电能,K,2,=,由于压电振子的机械能与振子的形状和振动模式有关，因此对不同的模式有不同的耦合系数：,机电耦合系数越大越好,，国内,K,p,可以从,0.1,到,0.65,。,机械品质因数,Qm,：,用来描述压电振子在谐振时的能量损耗的。,压电振子谐波时，要克服内摩擦而消耗能量，造成机械损耗，,Q,m,就是用来描述这种损耗的，它的定义是,谐振时振子储存的机械能量,Q,m,=2,谐振每周振子损耗的机械能量,Q,m,的值越大，说明机械损耗越小，材料的品质越好。,国内,Q,m,可从,10,1700,。,对于平面径向振动模式测出的,Q,m,，近似计算式为,一般通过传输线法测出 等后，由式子求出,Q,m,.,，式中,3.,压电材料及其应用,钛酸钡,钛酸铅,锆酸铅,钛锆酸铅,非钙钛矿型：,焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝,（,1,）材料,钙钛矿型,种类,：,压电晶体，如石英等；,压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；,压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。,对压电材料特性要求：,转换性能。要求具有,较大压电常数,。,机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械,强度高、刚度大,，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。,电性能。希望具有,高电阻率,和,大介电常数,，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。,环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。,时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,石英,（,SiO,2,）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。,在,20,200,范围内，温度每升高,1,，压电系数仅减少,0.016,。但是当到,573,时，它完全失去了压电特性，这就是它的,居里点。,1.00,0.99,0.98,0.97,0.96,0.95,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200,d,t,/,d,20,斜率：,0.016,/,t,6,5,4,3,2,1,0,100,200,300,400,500,600,t,/,相对介电常数,居里点,石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于,标准仪器或要求较高的传感器中。,因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。,压电陶瓷,1,、,钛酸钡压电陶瓷,钛酸钡（,BaTiO,3,）是由碳酸钡（,BaCO,3,）,和二氧化钛（,TiO,2,）按,1,：,1,分子比例在高温下合成的压电陶瓷。,它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的,50,倍）。不足之处是居里温度低（,120,），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2,、,锆钛酸铅系压电陶瓷（,PZT,）,锆钛酸铅是由,PbTiO,3,和,PbZrO,3,组成的固溶体,Pb,（,Zr,、,Ti,）,O,3,。它与钛酸钡相比，,压电系数更大,，,居里温度在,300,以上,，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的,PZT,材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,压电半导体材料,如,ZnO,、,CdS,、,CdTe,，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用,ZnO,作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,压电聚合物,聚二氟乙烯（,PVDF,）是目前发现的压电效应较强的,聚合物薄膜,，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料,(PVDF,PZT),。,（,2,）应用,电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等；,水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等；,雷达中的陶瓷表面波器件；,导航中的压电加速度计和压电陀螺等；,通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等；,精密测量中的陶瓷压力计、压电流量计、压电厚度计等；,红外技术中的陶瓷红外热电探测器；,超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器；,高压电源的陶瓷变压器。,高压引线,压电陶瓷点火器,垫块,外,壳,冲击块,V,3.4.2,热释电性,热释电效应是由于温度的变化而引起晶体表面极化改变的现象。,它由于晶体受热膨胀而引起正负离子相对位移，从而导致致晶体的总电矩发生改变，与压电效应相类似，,具有对称中心的晶体不会具有热释电效应,。晶体在均匀受热时的膨胀（或均匀冷却时的收缩）是在各个方向上同时发生的，并且在相互对称的方向上必定具有相等的线膨胀系数值，换句话说，在这些方向上所引起的正负电荷重心的相对位移也都是相等的。,1.,线性介质与非线性介质,1,）线性介质,：有外电场时，介质的极化强度与宏观电场,E,成正比，这类介质又叫线性介质。,P=,o,e,E,极化是介质在外加电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强度等于零。,2,）非线性介质,：极化强度和外施电压的关系是非线性的介质，叫非线性介质（钛酸钡等）。,铁电体就是一种典型的非线性介质。在铁电体中存在的极化机构,自发极化。,3.5,铁电性,广泛应用的铁电材料有钛酸钡（,BaTiO3,）、钛酸铅、锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。,1920,年,法国人瓦拉赛克,(Valasek),罗息盐,即酒石酸钾钠,(NaKC,4,H,4,O,6,4H,2,O),20,世纪,50,年代,以来 铁电体种类急剧增加，现已达到,200,多种。早年是科学家实验室中的珍品，被当作,研究结构相变的典型材料,。,20,世纪,80,年代,以来，铁电体作为一类,新型功能材料,而崭露头角。,1.,电滞回线和铁电体,3.5.1,铁电体、电畴,罗息盐,:,酒石酸钾钠,-NaKC,4,H,4,O,6,4H,2,O,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:,饱和极化强度,Pr:,剩余极化强度,Ec:,矫顽电场,T,c,：,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,。,产生铁电性的原因,自发极化,自发极化,：,自发极化的极化状态并非由外电场所造成，而是由晶体的内部结构特点造成的，晶体中每一个晶胞里存在固有电耦极矩，这类晶体通常称为,极性晶体。,从电滞回线可以看到铁电体具有自发极化，而且这种自发极化的电偶极矩在外电常作用下可以改变其取向，甚至反转。,在同一外电场作用，极化强度可以有双值,，表现为电场,E,的双值函数，这正是铁电体的重要物理特性。但是为什么会有电滞回线？原因就是存在,电畴,。,2.,电畴,电畴：铁电体自发极化时能量升高，状态不稳定，晶体趋向于分成许多小区域，每个小区域电偶极子沿同一方向，不同小区域的电偶极子方向不同，每个小区域为电畴。,畴壁：畴之间的边界地区。决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。,180,度，,90,度,(,单晶体）,60,度，,120,度（斜方晶系）,71,度，,109,度 （菱形晶系）,铁电体在外电场的作用下，趋向与外电场方向一致，称为,“,畴,”,转向,，通过,新畴的出现，发展和畴壁移动,来实现的。外加电场撤去后，小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分停留在新转向的极化方向上，为剩余极化。,1.,设,一,单晶体的极化强度方向只有沿某轴的正向或负向二种可能。在没有外电场时，晶体总电矩为零,(,能量最低,),。加上外电场后，沿电场方向的电畴扩展、变大，而与电场方向反向的电畴变小。这样极化强度随外电场增加而增加。,2.,电场强度继续增大，电畴方向趋于电场方向、形成一个单畴，极化强度达到饱和。,3.,如再增加电场，则极化强度,P,与电场,E,成线性增加，沿这线性外推至,E,0,处，相应的,Ps,值称为,饱和极化强度，也就是自发极化强度。,4.,若电场强度自,c,处下降，晶体极化强度亦随之减小。在,E,0,时仍存在极化强度，就是,剩余极化强度,Pr,。,5.,当反向电场强度为一,Ec,时,(,图中,y,点处,),，剩余极化强度,Pr,全部消失。,6.,反向电场继续增大极化强度才开始反向，直到反向极化到饱和达图中,G,处。,Ec,称为,矫顽电场强度,。,3.5.2,铁电体的起源与晶体结构,铁电体的起源与晶体结构：,自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。,BaTiO,3,120,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）,钛酸钡的结构：钙钛矿型结构,Ba2+,Ti4+,O2-,120,以上，立方晶系（,a,b,c,）,立方晶系（大于,120,o,C,）：,晶胞常数：,a=4.01,氧离子的半径：,1.32,钛离子的半径：,0.64,钛离子处于氧八面体中，,两个氧离子间的空隙为：,4.01,2 1.32=1.37,钛离子的直径：,2 0.64=1.28,结果：,氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。,较高温度时,，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。,温度降低,(,120,o,C,以下,),，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化（产生永久偶极矩，并形成电畴），使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。,钛、氧离子的位移,固有偶极子,自发极化：,这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。,一般介电极化,，是介质在外电场作用下引起，没有外电场，这些介质的极化强度为,0,。,3.5.3,铁电体的应用,1.,由于有剩余极化强度，铁电体可用来作信息存储、图象显示。,可用于仪器仪表、工业控制、家用电器、复印机、打印机、机顶盒、网络设备、游戏机、计算等。,目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，使透明陶瓷的光学性质变化。铁电体在光记忆应用方面也已受到重视，目前得到应用的是掺镧的锆钛酸铅（,PLZT),透明铁电陶瓷以及,Bi,4,Ti,3,O,12,铁电薄膜。,2.,由于铁电体的极化随,E,而改变。因而晶体的折射率也将随,E,改变。,这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应。利用晶体的电光效应可制作,光调制器、晶体光阀、电光开关,等光器件。目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如,LaNbO,3,，,LiTaO,3,，,KTN(,钽铌酸钾,),等。,3.,像,BaTiO3,一类的钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数可以做成,小体积大容量的陶瓷电容器。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,