第八章-材料的压电性能和铁电性能选编
压电、热释电与铁电材料
关于BaTiO3铁电性的起因人们曾提出过多种 微观模型。其中比较突出的有： 钛离子多个平衡位置的自发极化理论，认 为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多 个平衡位置，在温度低于居里点时，钛离 子占据某个平衡位置几率大得多，因而出 现自发极化；
钛--氧离子之间的强耦合理论，认为自发 极化的产生是由于钛--氧离子之间存在着 很强的相互作用场所致； 此外换有氧离子位移的自发极化理论；振 动电子理论；价键性质转变理论（认为共 价性增强，离子性减弱）等。 这些理论各有其不足和成功之处，本节不 在一一介绍。
下图是180畴壁和90畴壁
钛酸钡畴结构
反铁电体
反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同 型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向 产生自发极化，净自发极化强度为零，不 存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数 （或极化率）与温度的关系为：在相变温 度以下，介电常数很小，一般数量级为10102；在相变温度时，介电常数出现峰值， 一般数量级为几千。在相变温度以上，介 电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
主要特征 电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature c 介电反常Dielectric anomalous
电滞回线 hysteresis loop
自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
静态畴结构及其形成原因
铁电晶体在没有外电场和外力作用下从 顺电相过渡到铁电相时，将出现至少两 个等价的自发极化方向，以便使晶体的 总自由能最小。因此，晶体在铁电相通 常是由自发极化方向不同的一个一个小 区域组成。每一个极化方向相同的小区 域称为铁电畴，分离电畴的边界称为畴 壁。Domain wall
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位 移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的 x射线衍射和中子衍射实验表明，当BaTiO3 的结构从立方相转变到四方相时，Ti、O等 离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
材料的铁电性能课件
电场强度继续增大，最后晶体 电畴方向都趋于电场方向，类 似于单畴，极化强度达到饱和， 这相当于图中C附近的部分。
图6.26 铁电电滞回线 (Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
13
2 自发极化强度Ps 极化强度达到饱和后，再增
加电场，P与E成线性关系，将这 线性部分外推至E=0时的情况， 此时在纵轴P上的截距称为饱和 极化强度或自发极化强度Ps。 3 剩余极化强度
多晶体中每个小晶粒可包含多个 电畴。由于晶体本身取向无规则，所 以各电畴分布是混乱的，因而对外不 显示极性。
单晶体，各电畴间的取向成一定的 角度，如90 °，180 ° 。
图6.31 畴壁
7
4.电畴的形成及其运动的微观机理 （1）电畴的形成
以BaTiO3为例。离子位移理论，认为自发极化主要是由 晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离了平衡 位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电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，与此同时晶体结构 发生了畸变。
的电滞回线很接近于矩形，Ps 和Pr很接近，而且Pr较高；陶 瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较 多，表明陶瓷多晶体不易成为
单畴，即不易定向排列
图6.34 BaTiO3的电滞回线 20
4)铁电体的应用
①由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息 存储、图象显示。
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Bi4Ti3O12铁电薄膜。
1)温度对电滞回线的影响 铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得陶瓷材料具有宏
铁电材料的应用及其性质
铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料，可以在外加电场的作用下产生极化效应，其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能：铁电材料表现出极化现象，它们能够在电场的作用下，在晶体中产生电偶极矩，同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的，离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后，可以得到电信号的输出。
2.压电性能：铁电材料具有压电性能，亦即当外力作用于铁电材料时，晶体结构会产生变化，而反过来当外加电场作用于铁电晶体时，也能感受到压力的变化。
其作用的原理是，当材料受到外力的作用时，内部离子的晶格结构也会产生变形，从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能：一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时，就会产生电荷，从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器，甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能：铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现，可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器：由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快，它们可用于电容器中，主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器：由于铁电材料的压电特性，它们可以被用于制作各种类型的传感器，如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器：由于铁电材料的压电特性和极化性能，它们可用于制造各种类型的振动器，如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件：铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率，而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器：铁电材料的极化状态可以长时间维持，因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码，从而实现信息存储和检索。
铁电材料的特性与应用
铁电材料的特性与应用随着科技的不断进步，人们对材料的性能和应用的要求越来越高，铁电材料作为一种特殊的功能材料，因其特殊的性质内在吸引着越来越多的科学家和工程师的关注。
铁电材料具有很多的特点和应用，本文将从以下几个方面进行探讨。
一、铁电材料的概述铁电材料是一种能够在外加电场的作用下，产生永久电极化或瞬时电极化，并能在无电场的作用下保持这种电极化状态的材料。
铁电材料的特殊性质有以下特点：1、储存强电场：铁电材料能够在强电场的作用下产生强电极化，并且能够在不加电场的情况下保持这种极化状态。
2、非线性介电性：铁电材料的介电常数随电场强度的变化不是线性的，而是具有一定的非线性。
铁电材料的非线性介电性具有在光通讯、信息传输等方面的应用前景。
3、电光效应：铁电材料在外界电场的作用下，其晶体结构出现对称性破缺，从而导致光学性能出现改变，这种现象即为电光效应。
4、压电效应：铁电材料在外界力的作用下，会产生电势差，形成电场分布而产生的现象就是压电效应。
二、铁电材料的应用铁电材料由于其具有特殊的性质，在各个行业中有着广泛的应用。
下面简述一下铁电材料在各个行业中的应用。
1、电子电器领域：铁电材料可用于存储器件、传感器、高频陶瓷器等方面。
石英陶瓷是一种常用的高频陶瓷，如果在其表面形成压电陶瓷层，就能够提高其机械振动的效率，达到提高声波频率和集中能量的目的。
2、光电子领域：铁电材料由于具备优异的光电性能，使其非常适用于薄膜反射镜、光阀、空间光学器件等方面。
3、声学领域：铁电材料由于具有压电效应，使其在锂电池、面板电池、防爆弹等方面有着广泛的应用。
4、航空领域：铁电材料由于其性质稳定，可在高温、高压等恶劣环境下使用，所以在火箭发动机、超音速飞行器等方面被广泛应用。
三、未来发展前景随着科技不断发展，人们对材料的性能和应用的要求越来越高，铁电材料作为一种特殊的功能材料，在绿色环保、节能减排、信息传输、生物医药等领域发挥着越来越大的作用，有着广泛的应用前景。
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
材料性能知识点——磁电光压电铁电部分
注：粗体为重点或要求掌握的内容，斜体为拓展延伸内容，其余为基本内容。
一、磁学性能1、材料磁性的本源是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的。
任一封闭电流都具有磁矩。
2、材料磁性分类——抗磁性物质：使磁场减弱的物质；顺磁性物质：使磁场略有增强的物质；铁磁性物质：使磁场强烈增加的物质。
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。
材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。
材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩。
铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。
3、抗磁性、顺磁性、铁磁性特点：抗磁与顺磁性材料的磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率常数很小，但磁化方向相反，而且当初去外磁场之后，仍恢复到未磁化前的状态，及存在磁化可逆性。
铁磁性不存在直线关系，也不是可逆的，去处外磁场，不恢复未磁化前的状态。
4、原子内层电子交互作用其积分常数A＞0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化；铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向；还有一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下为顺磁性。
5、磁化曲线和磁滞回线1）磁化曲线：第一部分，在微弱的磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H的增大缓慢增大。
磁化是可逆的。
第二部分：随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增高，磁导率μ增长非常快，并且出现极大值。
磁化是不可逆的。
第三部分：随外磁场强度H进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得越来越困难。
磁导率减小，并趋向稳定。
当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值，即外磁场强度再继续增大时，磁化强度不再变大。
而此时磁感应强度（B=M+H）仍随外磁场强度而增大。
磁化强度的饱和值称为饱和磁化强度，M S；与其对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，B S。
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究铁电、压电和热电纳米材料近年来在催化研究领域引起了广泛关注。
这些材料具有特殊的结构和性质，对催化反应具有重要作用。
本文将对铁电、压电和热电纳米材料的催化性能进行简要介绍，并分析其应用前景。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，其具有正负两个永久电偶极矩的材料。
研究表明，铁电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
铁电材料的催化性能主要归因于其特殊的电荷分布和表面性质。
例如，铁电材料可以通过调节电荷重排来改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，铁电材料还可以通过外加电场和应力来调控其催化性能。
因此，铁电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
压电材料是一类具有压电效应的材料，其具有在外力作用下产生电荷分离的特性。
研究表明，压电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
压电材料的催化性能主要归因于其特殊的结构和电荷分布。
例如，压电材料的晶格变形可以改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，压电材料还可以通过外加电压来调控其催化性能。
因此，压电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
热电材料是一类具有热电效应的材料，其具有在温度梯度下产生电荷分离的特性。
研究表明，热电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
热电材料的催化性能主要归因于其特殊的热导率和电子结构。
例如，热电材料的热导率可以影响催化反应的热量传递和分子扩散，从而调控反应速率。
此外，热电材料的电子结构可以影响催化活性位点的结合能和反应中间体的稳定性，从而影响反应选择性。
因此，热电材料已被广泛应用于热催化和光催化等领域。
目前，铁电、压电和热电纳米材料在催化研究中的应用还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，一些研究发现，通过调控铁电、压电和热电纳米材料的晶格结构和表面性质，可以实现催化活性位点的精确定位和调控。
8.5-压电性能及其应用PPT课件
.
wzhuo
44
2.2 其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软 性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后：
.
wzhuo
20
基本介电关系
电位移矢量与电场强度和电极化强度之间的关系为:
D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
.
wzhuo
21
d33是压电介质把机械能（或电能）转换为电 能（或机械能）的比例常数。
逆压电效应d33的简化矩阵表示为
（二阶张量）
.
wzhuo
18
压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加
压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有
以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指
电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。
.
wzhuo
29
Kt Kp
K33
K15
K31
.
wzhuo
30
8.5.3 机械品质因数Qm
：压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需 要消耗能量。
：机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的 一个参数。
：Qm越大，能量消耗越小。
.
wzhuo
材料的压电性与铁电性能.ppt
•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今：
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的 作用下，产生极化。
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++
释放电荷
－－－－－－－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）即：
D ijE
不同机械条件时，测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
②相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中：ω为交变电场的角频率； C为介质电容； R为损耗电阻；
压电铁电材料
压电铁电材料压电铁电材料是一类具有压电和铁电性质的功能材料，具有广泛的应用前景和重要的科学价值。
压电效应是指在外加压力下产生电荷分离，从而产生电压的现象，而铁电效应是指在外电场作用下产生电偶极矩的现象。
压电铁电材料同时具有这两种性质，因此在传感器、换能器、存储器、电子器件等领域具有重要的应用价值。
压电铁电材料的研究历史可以追溯到19世纪，最早的压电材料是石英晶体。
20世纪50年代，人们发现了铁电材料的存在，随后压电铁电材料的研究逐渐兴起。
目前，压电铁电材料已经成为功能材料领域的研究热点之一，其在电子、信息、能源等领域的应用前景广阔。
压电铁电材料具有许多优异的性能，如高压电系数、良好的稳定性、宽温度范围内的性能稳定性等。
这些性能使得压电铁电材料在传感器领域具有重要的应用价值，可以用于压力传感器、加速度传感器、声波传感器等。
此外，由于其铁电性质，压电铁电材料还可以用于存储器、电子器件等领域，具有巨大的商业潜力。
目前，压电铁电材料的研究重点主要集中在材料的合成、性能的调控和应用的拓展等方面。
在材料的合成方面，人们通过掺杂、微结构调控、复合材料等方法，不断改进材料的性能，提高其压电铁电性能。
在性能调控方面，人们通过外场调控、表面修饰等手段，进一步拓展了材料的应用范围。
在应用拓展方面，人们不断探索压电铁电材料在新能源、环保、医疗等领域的应用，为其商业化应用打下坚实的基础。
总的来说，压电铁电材料是一类具有重要科学价值和广泛应用前景的功能材料，其研究和应用对于推动材料科学和技术的发展具有重要意义。
随着人们对其认识的不断深入和技术的不断进步，相信压电铁电材料必将在更多领域展现出其独特的魅力，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
第八章 材料压电性和铁电性
第八章 材料压电性和铁电性
P117 3.4~3.5节
一、压电效应
• 电介质在电场的作用下，可以使其带电粒子相对 位移而发生极化。某些电介质晶体也可以通过纯 粹的机械作用而发生极化，并导致介质两端表面 出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成 比例。 • 这种机械力激起晶体表面荷电的效应称为压电效 应。材料的这种性质称为压电性。
• 凡是具有对称中心的晶体不具有压电性。
• 以石英晶体为例来解释压电效应。 • 石英是三方晶系32点群，无对称中心，有 一个三次轴和三个互成120的二次轴。 • a轴：电轴 • c轴：光轴。 • 注意：逆压电效应与电致伸缩效应的区别。
二、热释电效应
• 除了由于机械力的作用而引起电极化（压 电效应）之外，在某些晶体中，还可以由 于温度的变化而产生极化。 • 均匀加热电气石晶体时，在晶体唯一的三 重旋转对称轴两端，就会产生数量相等、 符号相反的电荷。如果将晶体冷却，电荷 的变化同加热时相反。这种现象称为热释 电效应。 • 这种晶体存在“自发极化”。
• 七、压电与铁电材料及其应用
三、铁电性
• 在热释电晶体中，有若干种晶体不但在某 些温度范围内具有自发极化，而且极化强 度可以因外电场而反向，同铁磁体具有磁 致回线一样，这类晶体具有的回线称为 “电致回线”。它们的某些性质与铁磁性 质有着平行的类似，人们把这类晶体称为 “铁电体”。（其实这移理 论） • 五、铁电体中电畴的形成与发展 • 六、介电材料的关系
铁电材料和压电材料的制备和应用
铁电材料和压电材料的制备和应用铁电材料和压电材料是一类极具应用前景的功能材料。
铁电材料可以在外加电场下呈现出独特的电极化性质，而压电材料则可以在外加压力下呈现出独特的电荷分布。
因此，这两种材料不仅在电器领域有广泛的应用，还在光电子学、医疗、生物等领域具有潜在的应用价值。
本文将从铁电材料和压电材料的制备和应用两个方面进行探讨。
一、铁电材料的制备铁电材料在电器领域中具有广泛的应用价值，如传感器、存储材料、场效应管等。
一般而言，铁电材料含有钙钛矿结构，其中钙和钛在晶体中呈现出不同的价态，因此具有极性。
为了制备具有优良铁电性能的材料，需要注意以下几点：1、选择适当的基质材料：钙钛矿结构的铁电材料需要与其他元素形成晶体结构，这个过程中可以加入稀土元素、碱金属元素、过渡金属元素等。
选择不同的元素可以对材料的铁电性能和晶体结构产生影响，因此需要结合具体应用需求选择适当的基质材料。
2、优化材料生长条件：材料生长条件对材料的晶体结构和铁电性能影响很大，因此需要进行适当的优化。
一般而言，可以通过控制生长温度、氧分压、生长速度等条件来获得具有优良铁电性能的材料。
3、表面处理：铁电材料在制备过程中容易受到表面缺陷和氧化等因素的干扰，因此需要进行表面处理。
表面处理可以包括化学处理、等离子体处理、超声波清洗等。
表面处理可以减少杂质的存在，在一定程度上提高了材料的性能。
二、铁电材料的应用铁电材料在传感器、储存器、场效应管等领域中具有广泛的应用。
这些应用可以通过对材料的电极化性质进行调控来实现。
以下是铁电材料在不同领域的应用：1、传感器：铁电材料在传感器领域中具有广泛的应用，例如，在生物传感器中，铁电材料可以通过将生物分子与其结合，实现生物检测的目的。
2、储存器：铁电材料可以用于制造非易失性随机存取存储器（NVRA），这种存储器可以在断电的情况下保存数据，具有快速读取速度和低功耗的特点。
3、场效应管：铁电材料可以用于制造场效应管，这种管可以在电场的作用下调控电流，在集成电路中具有重要的应用价值。
材料的铁电性能综述
材料的铁电性能综述摘要：回顾了铁电现象的发现及发展，简述了铁电性的机理，描述了铁电材料应用现状与前景，并介绍了几类前景很好的铁电材料。
指出目前对于铁电性的还需要进行更多的和更深入全面的研究。
关键词：铁电性，电畴，铁电薄膜，存储器前言：铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。
铁电材料是一类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一。
在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。
铁电性：铁电性是某些绝缘体材料中在外加电场的作用下自发极化可以被反转的特性。
多数材料的极化是与外加电场线性成正比的，非线性效应是不显著的。
这种极化叫做电介质极化。
有些称作顺电体的材料，线性的极化效应更加显著。
于是与极化曲线斜率相对应的介电常数是以一个外加电场的函数。
除了非线性效应以外，铁电材料中还存在自发极化。
这种材料称作焦电材料。
铁电材料与其不同之处在于它的自发极化可以在外加电场作用下被反转，产生一个电滞归线。
一般来说，材料的铁电性只存在于某一相变温度以下，称为居里温度。
在这个温度以上，材料变为顺电体。
铁磁体中的原子有固定的磁偶极矩，这些磁矩自发排列起来。
自发排列的原因是固体中电子的量子力学效应。
铁磁体的居里温度指向顺磁体转变的温度，同理对铁电体，指材料不再是铁电体的温度。
对于一块未极化铁电晶体，电畴随机排列，净极化强度为零。
当外加一个电场时，电畴同时向电场方向转动，当电场足够强时，全部电畴沿电场方向排列一致，这时晶体变成一个大电畴，处于极化饱和状态。
当扭转电场时，极化反转但不回零，晶体获得一个剩余极化强度PR，当电场被扭转到矫顽场Ec时，剩余极化强度被去除。
铁电相是一个相当严格的状态，大多数材料都是顺电状态，顺电相指即使没有固有电偶极子，电场也可诱发极化。
压电和铁电材料（ＰＤＦ）
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
材料性能学复习
材料性能学复习(总15页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--《材料性能学》复习第一章 材料单向静拉伸的力学性能一、力－伸长曲线（拉伸图） 1、曲线上变形三阶段 （1）、弹性变形（2）、塑性变形 （屈服现象）（3）、不均匀变形（颈缩阶段）及断裂阶段（会画） 2、拉伸图的种类曲线1 为淬火、高温回火后的高碳钢 曲线2 为低合金结构钢 曲线3 为黄铜 曲线4 为陶瓷、玻璃 曲线5 为橡胶类（会画）二、应力一应变曲线（σ－ε曲线）1、应力： 应变：2、 应力－应变曲线（工程应力－应变曲线）0A F =σ0L L ∆=ε３、各种性能指标（1）、强度指标①弹性极限：σe＝Fe / S0②比例极限：σp＝Fp / S0③屈服极限：σs＝Fs / S0 ；屈服强度σ＝ / S0④强度极限：σb＝Fb / S0⑤断裂强度： Sk＝Fk / Sk（2）、塑性指标①延伸率：δｋ＝(Ｌk-L0) / L0 X 100 %②断面收缩率：ψk＝（ S0－ Sk）/ S0 X 100 %４、真应力－真应变曲线（S－e曲线）真应力：其中， F －瞬时载荷， A－瞬时面积真应变：则：两曲线比较0 0ln)LLLdLdee e LL⎰⎰===)1(ψσ-=SAFS=三、弹性变形及其实质（一）、弹性变形的特点•1、可逆性；•2、单值线性关系；•3、弹性变形量较小（ε＜～1％）（二）、双原子模型解释弹性变形引力四、弹性的不完整性与内耗（一）、滞弹性（弹性后效）1．正弹性后效 2．反弹性后效3．产生原因４、危害（二）、包申格效应包申格（Bauschinger）效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4％），而后再同向加载规定残余伸长应力（或弹性极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力（或弹性极限）降低的现象．原因：包申格（Bauschinger）效应可能与第二类内应力有关；危害：包申格（Bauschinger）效应可弱化材料，因而应予以消除；消除办法五、断裂1、断裂概念2、断裂的类型及断口特征3、韧性断裂与脆性断裂概念韧性断裂的特点；脆性断裂的特点4、穿晶断裂与沿晶断裂剪切断裂；解理断裂；准解理断裂5、断裂强度（1）．理论断裂强度（会推导）理论断裂强度和实际强度说（2）．断裂强度的裂纹理论（ Griffith强度理论）Griffith强度理论此公式说明的问题金属材料γs＝γe＋γp Griffith强度理论212⎪⎭⎫⎝⎛=aEscπγσ22σγπscEa=21(2⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=aEpecπγγσ2)(2σγγπpecEa+=第二章材料在其他静载下的力学性能主要讲了硬度试验一、布氏硬度（HB）（1）测定原理（2）、优缺点•优点：压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性能，试验数据稳定，重复性强。
铁电材料的性能优化
铁电材料的性能优化在现代科技领域中，铁电材料是一种非常重要的材料。
铁电材料具有很多优良的性质，例如具有高电介质恒定性、极化自锁定性、压电和矢量电容等特性。
这些性质使得铁电材料成为了研究和应用领域中非常受欢迎的一种材料。
然而，铁电材料在实际应用中还存在一些不足和缺陷。
例如，在现有的铁电材料中，极化强度较低，频率响应度较差且稳定性较差。
因此，为了优化铁电材料的性能，需要从材料的结构、电学、热力学等方面进行深入研究。
首先，结构的优化是铁电材料性能优化的基础。
如果材料的结构不合理，就无法充分发挥其性能。
现有的铁电材料结构包括三类：简单的离子共价材料、复合材料和钙钛矿结构材料。
其中，钙钛矿结构材料是目前应用最广泛和最重要的一类铁电材料。
为了优化钙钛矿结构铁电材料的性能，可以从以下几个方面进行研究。
第一，优化晶格参数。
晶格参数是影响铁电材料性能的重要因素之一。
因此，优化晶格参数可以显著提高铁电材料的极化强度和频率响应度。
研究表明，晶格参数的优化可以通过晶体生长技术和合成方法实现。
第二，改变材料组成。
改变材料组成可以改变铁电材料的晶体结构、电学性能和热力学稳定性。
例如，在铁电材料中加入掺杂剂可以改变其电子结构，从而导致铁电性能的变化。
另外，钙钛矿结构铁电材料中不同原子的占位也会影响其性能。
第三，提高钙钛矿结构铁电材料的稳定性。
钙钛矿结构铁电材料的稳定性是影响其性能的重要因素之一。
受结构缺陷、氧缺位等因素的影响，铁电材料的稳定性通常较差。
因此，研究如何提高铁电材料的稳定性是非常重要的。
除了从结构方面进行优化之外，铁电材料的性能优化还涉及到多个方面。
下面我们将从电学、热力学和化学等方面进行探究。
第一，优化铁电材料的电学性能。
铁电材料的电学性能主要与其极化能力和频率响应度有关。
通过控制铁电材料表面的电场，可以提高其极化能力。
另外，通过合理的材料设计，可以实现铁电材料的多场响应功能。
第二，研究铁电材料的热力学性质。
铁电材料的热力学稳定性是影响其性能的重要因素之一。
电介质材料(压电与铁电材料1)
Xiong Zhengye
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，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，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。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
石英晶体
石英晶体的外形(a)天然石英晶体； 理想石英晶体坐标系 (b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体 理想外形
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前 传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构 为六角晶系的α-石英。
加应力不 产生极化
Xiong Zhengye
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二节 热释电与铁电性能
当电场由高的负值变化到高的正值时，正向电畴又开 始形成并生长，直至整个晶体再一次变成具有正向极 化的单畴晶体，极化强度沿曲线FGH回到C点 自发极化强度Ps 矫顽电场强度Ec （4）居里温度Tc 温度达到某一温度以上时，热运动的结果，偶极子从 电场的束缚中解放出来，使自由能G下降． T〉Tc 自发极化为零，非铁电相或顺电相 T〈 Tc 存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电相 ①居里点
第一节
5 压电材料 机电耦合效应
二 压电振子与压电方程
1 压电振子及其特征频率 （1）压电振子的基本概念
压电振子固有振动频率fr
(2)最小阻抗频率fm
振子阻抗为最小的频率
(3)最大阻抗频率fn
振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效
电路图
含义
压电性能
第一节 压电性能
一 电控双折射效应
1 电控双折射原理
极化后的细晶(晶粒大小约1一2μm)透明铁电陶瓷，光 轴方向为极化轴方向．当一束光斜交于陶瓷极化轴方 向传播时，会产生双折射．光束会被分解为两束偏振
光——o光和e光，则有效双折射率△n＝ne—no．透
明铁电陶瓷为负单轴晶，△n＜0，且△n与陶瓷的剩 余极化强度Pr有关，也与外加电场有关 2 电控双折射 细晶透明铁电陶瓷的有效双折射率可通过改变剩余极 化强度Pr和外加电场E进行控制
第二节 热释电与铁电性能
二晶体的热释电效应
1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应
有压电性的晶体不一有热释电性 2 热释电性能表征 （1）热释电系数 表示热释电效应的强弱 与晶体所处状态有关
第一节 压电性能
四 压电材料的应用
1日常生活应用 煤气炉、汽车发动机等所用的压电点火器．电子手表 所用的压电谐振器，声控门、报警器，验证个人笔迹 和声音特征的压电力敏传感器等
2电子学领域应用 信号处理器、存贮显示器、信号发生器及各类计量测 试元件等
3高灵敏度、高可靠性的传感器 压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器
当 x(PbZr03) ／ x(PbTiO3) ＝ 65 ／ 35 时 ， x ＝ 9 ％ 的 La 足以使铁电相的稳定区域降低到室温以下
SFE 区 是 弥 散 型 亚 稳 定 铁 电 相 区 ． 在 此 区 域 内 的 PLZT组成能以足够强的电场进行电诱相变，并表现有 弛豫特性．
第三节 铁电材料的电光效应及其应用
关系，而且随外电场反向而改变符号．
③电致伸缩效应和逆压电效应有着明显的差异
第二节 热释电与铁电性能
4 铁电、热释电、压电、介 电晶体之间的关系 晶体按几何结构分为7个 晶系：三斜、单斜、正交、 四方、三角、六角和立方 晶系 具有铁电性的晶体必具 有热释电性和压电性 具有热释电性的晶体必 具有压电性，不一定具有 铁电性． 压电体、热释电体和铁 电体均同于介电质晶体
材料的压电性能与铁电性能
压电效应1880年发现．铁电 体1920年发现，铁电体是重要的 功能材料
第一节 压电性能 第二节 热释电与铁电性能 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 第四节 影响材料压电性与铁电性的因素
第一节 压电性能
一 压电效应的基本原理
1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表 面电荷的现象 2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电． 对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、 负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电 3 正压电效应 4 逆压电效应 具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中心的位移，导致晶体发生形变
谐振时振子储存的机械 能
Qm 2 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
Qm
2fr R(C0
f
2 a
C1
)(
f
2 a
f
2 r
)
其中：
fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
4、频率常数N
5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量
6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
1、压电常数d33
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量 （电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时，
在电极面上产生电荷，则有以下关系式：
D3 d33T3
第二节 热释电与铁电性能
当外电场增加时，与电场同向的电畴则逐渐扩大，铁 电体在外场方向的极化强度随电场增加而增加（OA段） 当电场增大到所有反向电畴均反转到外场方向时，晶 体变成单畴体，晶体的极化达到饱和（C附近），电 场再增加，极化强度将随电场线性增加，达到最大值 Pmax, 将线性部分外推到电场为零时，在纵轴上的截距 Ps称为饱和极化强度，是每个电畴原来所具有的自发 极化强度．当电场C处开始减小时，极化强度将沿CB 曲线逐渐下降．E=0，极化强度下降到某一数值Pr， 称为铁电体的剩余极化强度．
式中d33为压电常数，下标中第一个数字指电场方
向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方
向；T3为应力；D3为电位移。
•
它是压电介质把机械能（或电能）转
换为电能（或机械能）的比例常数，反映了
应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位
移（D）之间的联系，直接反映了材料机电
性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引
第二节 热释电与铁电性能
铁电晶体在发生顺电—铁电相变时， 最重要的是材料介电性能的变化．遵 循居里—外斯定律： 2 铁电畴 （1）电畴的基本概念 自发极化相同的小区域
产生电滞回线原因：铁电体是由铁电畴组成的
畴壁的厚度很薄，仅有几个晶胞的尺寸
铁电体通常是多电畴体
（2）电畴的取向 电畴只能沿几个特定的方向取向
第三节 铁电材料的电光效应及其应用
前言
透明铁电陶瓷的应用： 激光技术、计算机技术、全息存贮与显示以及光电 子学 电光效应的应用是以电控双折射和电控散射效应的 形式来实现的 光学性质与晶粒尺寸密切相关： 粗晶粒陶瓷(晶粒尺寸大于2—3μm ）是电控散射 细晶粒陶瓷电控双折射
第三节 铁电材料的电光效应及其应用
自发应变
电畴壁的取向必须保证相邻电畴在畴壁各方向上所 产生的自发应变能够相容
第二节 热释电与铁电性能
3 铁电体的电致伸缩效应
①电致伸缩效应
介电体在电场作用下，由诱导极化而引起的形变 应变与极化强度的平方成正比，是一种平方效应 电致伸缩效应的形变与外电场的方向无关
②逆压电效应只产生于压电体，形变与外电场呈线性
第二节 热释电与铁电性能
一 自发极化及其微观机制 1自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的 晶胞中正负电荷中心不重合，晶胞的固有偶极矩会沿 同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态 具有自发极化的晶体必然是个带电体，其电场强度取 决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移， 则极化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移，对 于任何一个单个的A离子，即使无外场作用，也有来 自周围极化P所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应 束缚在表面的自由电荷层有一部分可恢复自由释放出 来，使晶体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流
第二节 热释电与铁电性能
（2）逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变化
（3）热释电红外敏感元件 ①能充分吸收入射的红外线 ②热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度
出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij、
gij、 eij、 hij。
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间
耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。 机电耦合系数的定义是：
K
2
通过逆压电效应转换所 得的机械能 转换时输入的总电能
或
K
2
通过正压电效应转换所 得的电能 转换时输入的总机械能
第三节 铁电材料的电光效应及其应用
二 电控光散射效应
在粗晶粒透明铁电陶瓷中，透射光是以一定的角度分 布向后散射的，而且此角度分布依赖于陶瓷极化轴的 取向，或剩余极化的方向．
当施加外电场改变陶瓷极化轴取向时，就可以改变散 射光强度的角分布
当入射光传播方向与极化强度平行时，光线大部分集 中于2°以内
第三节 铁电材料的电光效应及其应用
光线传播方向与极化强度垂直时，光强的峰值移到 15°左右，而2°以内只有很小一部分光
高质量的PLZT透明铁电陶瓷S∥P时，进入检测器的 相对光强比S⊥P时进入检测器的相对光强峰值相差约 两个数量级以上
PLZT透明铁电陶瓷制成双稳态光闸、二进位存贮器 和显示器等
三 PLZT陶瓷的各种电光性能及应用
La置换将降低PLZT材料的铁电—非铁电转变温度
• 它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映。 它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数 等参数有关，是一个比较综合性的参数。其 值总是小于1。
3、机械品质因数Qm
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质