第八章-材料的压电性能和铁电性能选编

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
• 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
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。机 械品质因数Qm的定义式是：
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
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
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
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
三晶体的铁电性
1 铁电体的特性 （1）铁电性的基本概念
晶体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的 取向，在电场作用下其取向可以随电场改变
第二节 热释电与铁电性能
（2）铁电体的共同特性
①具有电滞回线
②具有结构相变温度，即居里点
③具有临界特性
（3）电滞回线
铁电体的极化强度P与外加电场 E之间呈非线性关系，且极化强 度随外电场反向而反向．极化 强度的反向源于铁电体内部存 在的电畴反转
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
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
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．
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶 瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有 相应的机电耦合系数。
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
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
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
压电性能
第一节
(5) 特征频率的含义
压电性能
第一节 压电性能
当晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电—铁电相 变温度
第二节 热释电与铁电性能
②相变温度或过渡温度 晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度 ③上、下铁电居里温度Tc 有的晶体在一温度区间内为铁电相，这类晶体有上下 两个铁电居里温度Tc 高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的 原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶 体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构 对称性发生逐次递降而形成的亚群 (5)临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化 介电性质、压电性、弹性、光学性质、热学性质
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
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
1 电光行为分区
(1)二次电光效应区：处于铁电和顺电的相界，在SFE 区，组成有8.8/65/35、9/65/35、8/70/30
(2)记忆效应区：具有电驱动光开关效应，处于FERh斜 方铁电相区，组成有7/65/35和8/65/35
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
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
改变电场方向，沿负方向增加到Ec时，P降至零，反 向电场再继续增加，极化强度反向，Ec称为铁电体的 矫顽场强．随着反向电场的继续增加，极化强度沿负 方向继续增加，并达到负方向的饱和值(-Ps)，整个晶 体变为负向极化的单畴晶体.
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
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Hale Waihona Puke Baidu只产生于压电体，形变与外电场呈线性
2 边界条件 机械边界条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路 压电振子共有四类边界条件
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗
3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律
4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数
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
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度 的乘积为一个常数，即频率常数。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
N15=fr×lt
D为圆片的直径 t为薄板的厚度 l为棒的长度 lt为薄板的厚度
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
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