第八章-材料的压电性能和铁电性能选编
材料性能答案
名词解释
第九章材料的磁学性能
磁化：物质在磁场中由于受到磁场作用都呈现出一定的磁性，这种现象叫做磁化现象
自发磁化：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化。
技术磁化：铁磁材料心爱外加磁场的作用下所产生的磁化现象。
抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的成为抗磁性。
顺磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的成为抗磁性。
铁磁性：铁磁材料在外加磁场的作用下，可以产生很强的磁化，这是由于铁磁材料的原子组态所决定的。铁磁性来源于原子违背抵消的自旋磁矩和自发磁化。
亚铁磁性：
反铁磁性：交换积分常数A<0,相邻原子间的自旋趋于反相平行排列原子磁矩相互抵消，不鞥形成自发磁化区域。
固有磁矩：只有原子中存在的未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为0，原子才具有磁矩，这种磁矩叫做~
最大磁滞回线：
磁滞损失：由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个封闭回线，称之为磁滞回线，回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为~
退磁能：磁铁产生的外力磁场与内磁场方向相反，从而使铁磁体减弱，磁化能力增加。
磁畴：在铁磁性物质中，此你在着许多微小自发磁化区域，成为~
剩磁：磁化达到饱和后，在逐渐减小到H的强度，M将随之减小。当H=0时，磁感应强度并不等于0，而是保持一定大小的数值，这时铁磁金属的剩磁现象。
矫顽力：要使M值继续减小，必须加反向磁场-H, 当H等一定值Hc时，M值才等于0。Hc 为去掉剩磁的临界外磁场，称为~~
居里点：
磁晶各向异性：当贴此物质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同，即沿着不同方向磁化所消耗的磁化功不同。这说明磁化矢量（M）在不同的晶向上有不同的能量，M沿易磁化方向时能量最高。磁化强度沿不同晶轴方向的不同称为磁晶磁晶的各向异性。
压电、热释电与铁电材料
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
1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3 压电性更优越的PZT压电陶瓷，促使压电器 件的应用研究又大大地向前推进了一大步。 BaTiO3时代难于实用化的一些用途，特别 是压电陶瓷滤波器和谐振器，随着PZT的问 世，而迅速地实用化，应用声表面波（SAW） 的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，在 七十年代后期也取得了实用化。
后来，人们又在三元系压电陶瓷 配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材 料，如: Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3， Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等， 可用来制造滤波器和受话器等。
什么是铁电体
铁电体主要特征
典型的铁电材料的主要物理性质
压电和铁电材料
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。通常规定，在热端的电
材料性能学 10.电学性能
导电聚合物教学视频
三、影响材料导电性的因素
1、温度
T 0 1T T 2 T 3
式中，ρ0 －0℃时电阻率；α－电阻温度系数；β、γ－高次项系数；
T
T2
T5
总体来说，随 T 升高，ρ增大。 但在不同温度区间，有不同规律。 • 极低温下：电子-电子散射 • 较高温度：电子-声子散射
1977年，日本的白川和美国的Mac Diamid等人用 I2 或AsF5 掺杂聚乙 炔，发现聚乙炔的电导率从10-9 S/cm提高到103S/cm量级，聚乙炔掺杂后 作为第一个导电高分子以引起了广泛兴趣。从此，在世界范围内开展了对 导电高分子的系统研究。迄今，导电高分子已研究的有： • 共轭高聚物； • 高分子传荷（CT）复合物； • 共盐聚合物； • 金属高聚物； • 非碳高聚物，等。
第八章 材料的电学性能
第八 章 材料的电学性能
• 导电性 • 介电性
重点介绍
• 铁电性 • 压电性 • 热释电性 • 磁电性 • 光电性
最后一节课即6-12部分内容， 学生讲，2个学生，每人选一 个内容，讲15分钟左右， 简单介绍 PPT已有
（考试不考）
第一节 导电性
一、电阻与导电的基本概念
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。
电介质材料(压电和铁电材料)
F Q
机械能 ｛ 逆压电效应 压电介质 正压电效应 电能 ｝
F
压电效应及可逆性
在讨论介电性质时，绝缘体就称为电介质。
极化现象：当电介质放入电场中时，电荷不能象金属中的自由 电子那样自由运动，但是电荷质点在电场作用下发生相对位移， 正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成 许多电偶极子，即发生极化。 +++++++++ 电介质，电场导致极化表面有电荷。 压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。 --------------电介质材料 压电材料 热释电材料 无对称中心的电介质 存在自发极化的压电材料
热释电材料
热释电效应：热释电晶体是压电晶体中的一种，具有非中
心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中 心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自 发极化。晶体温度变化时，可引起晶体的正负电荷中心发生 位移，因此表面上的极化电荷即随之变化。温度恒定时，因 晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到 它的自发极化现象。当温度变化时，晶体表面的极化电荷则 随之变化，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电 的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。这一过程的平 均作用时间为τ＝ε/σ，式中，ε为晶体的介电系数，σ为晶体的 电导率。
压电和铁电材料
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。通常规定，在热端的电
材料的压电性与铁电性能.ppt
机械量
压 电 元件
电量
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的发展历程
压电效应(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于 1880年在α石英晶体上首先发现的。
研究对称晶体与压电现象的关系
发现：在某一类晶体中施加压力会产生电性
系统研究了施压方向和电场强度之间的关系
•在机械自由条件下，称为恒应力介电常数或自由介电常数，以
T ij
表示．
•在机械受夹条件下，则称为受夹恒应变介电常数或夹持介电常数，以
S ij
表示。
对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关； 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗 交变电场下，压电体表面所积累的电荷有两种分量：
压电效应 (Piezoelectric effect)
材料的压电性能与铁电性能
具有压电性的材料
闪锌矿(zincblende) 钠氯酸盐(sodiumchlorate) 电气石(tourmaline) 石英(quartz) 酒石酸(tartaricacid) 蔗糖(canesuger) 方硼石(boracite) 异极矿(calamine) 黄晶(topaz) 若歇尔盐(Rochellesalt)
tan IR / IC 1 / (CR)
材料的电性能
01:15
華中師範大學化學學院
CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY
3、能带理论的运用 Na：价带填充了一个电子，价带是未满带，能导电
未充满的价带
Mg：价带填充了两个电子，价带是满带，但禁带是 零，价带与空带相交叠，满带中的电子能占据空带， 也能导电
空带
交叠部分
充满的价带
01:15
3、居里温度（Curie temperature） 铁电材料存在一临界温度，高于此温度后材料的铁电性消 失，变为非铁电性材料。该温度称为居里温度。钛酸钡的 居里温度是120摄氏度。 PS：居里温度时铁电性改变的原因 铁电性的改变通常是因为在居里温度以上时材料晶体发生 相变。
温度在120℃以下时，钛酸钡的中心Ti4+和周围的O2-发生微观尺度的反方 向位移，具有微细的偶极矩，从而使材料呈现铁电性。 温度高于120℃时钛酸钡变为规则立方对称的晶体结构，正负电荷中心 完全重合，不具有偶极矩，因此呈现非铁电性。
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半导体：价带为满带，价带与空带间存在禁带，禁带 宽度较小（0.1~3eV），施以一定条件，满带中的电 子有可能越过禁带到达空带，从而是使满带中出现空 穴，空带中出现电子，进而使它们都能导电。
空带 较小宽度的禁带 充满的价带
第五部分-(第十二章)材料的压电性能
理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理 后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一 端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个 表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中 性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷 片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷 对另一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面的自由电荷过剩出 现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
第五部分 压电与铁电性能 2023最新整理收集
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压电性能；热释电性；铁电性能。
❖ 1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先发现 压电效应；
❖ 1920年，Valasek发现铁电体； ❖ 40年代中期，压电材料开始广泛应用。 ❖ 60-70年代达成熟阶段。
一、压电效应的基本原理
3、压电性的数学表达式 张量表示的必要性：
各向同性的情形：
D E或D1 E1，D2 E2，D3 E3
各向异性的情形：
D1 11E1 12 E2 13E3 D1 11 12 13 E1
D2 21E1 22 E2 23E3
D2
21
22
23
E2
第四类边界条件：机械夹持 S=0,C 电学开路 D=0,C
第八章 材料压电性和铁电性
• 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”。
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”。（其实这类晶体都不含铁）
• 四、钛酸钡自发极化的微观机理（离子位移理 论） • 五、铁电体中电畴的形成与发展 • 六、介电材料的关系
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
第八章 材料压电性和铁电性
P117 3.4~3.5节
一、பைடு நூலகம்电效应
材料性能学复习
材料性能学复习(总15页)
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《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 ∆=
ε
３、各种性能指标
（1）、强度指标
①弹性极限：σe＝Fe / S0
②比例极限：σp＝Fp / S0
③屈服极限：σs＝Fs / S0 ；屈服强度σ＝ / S0
④强度极限：σb＝Fb / S0
⑤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 0
ln
)L
L
L
dL
de
e e L
L
⎰⎰=
=
=
)
1(ψ
σ-
=S
A
F
S=
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
材料性能学第十二章 材料的压电性能与铁电性能
压电效应
晶体压电效应的本质：
因为机械作用（应力与应变）引起了 晶体介质的极化，从而导致介质两端 表面内出现符号相反的束缚电荷。
-
-
（a）
-
-
+
-+ -
-
-
+
（b）
+-
-
+
+-
-
-
-
（c）
应用
用于电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等； 用于水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等； 用于雷达中的陶瓷表面波器件； 用于导航中的压电加速度计和压电陀螺等； 用于通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等；
应用
用于精密测量中的陶瓷压力计、压电流 量计、压电厚度计等； 用于红外技术中的陶瓷红外热电探测器； 用于超声探伤、超声清洗、超声显像中 的陶瓷超声换能器； 用于高压电源的陶瓷变压器。
当晶体处于恒应力状态时．由温度所引起的形变通 过正压电效应使晶体产生附加的极化改变．一般将这 种由于正压电效应对热释电系数的贡献称为二级热释 电系数p′
恒应力热释电系数等于一级热释电系数和 二级热释电系数之和，即
piT piS pi'
利用热释电效应可制成性能良好的红外敏感元件．其对 热释电材料的要求是： ①能充分吸收入射的红外线；
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
《材料性能学》课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲
一、《材料性能学》课程说明
（一）课程代码：
（二）课程英文名称：Introductions of Materials Properties
（三）开课对象：材料物理专业
（四）课程性质：《材料性能学》属于材料科学与工程一级学科主干专业课
（五）教学目的：
使学生掌握材料各种主要性能的基本概念物理本质化学变化律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学
成分，组织结构之间的关系，基本掌握提高材料性能的主要途径。
（六）教学内容：
本课程包括金属材料力学性能，金属物理性能分析，无机材料无论性能，高分子材料力学材料性能、材料的腐蚀与老化、性能指标的工程意义、指标
的测试与评价及应用为主线贯穿始终，让学生对材料性能知识有一个完整的
了解，以便达到举一反三、触类旁通的效果。
（七）教学时数:
学时数：72 学时
分数： 4 学分
（八）教学方式:以粉笔、黑板为主要形式的课堂教学
（九）考核方式和成绩记载说明
考核方式为考试。严格考核学生出勤情况达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40％，期末成绩占60％。.
二、讲授大纲与各章的基本要求
第一章材料的单向静拉伸的力学性能
教学要点：让学生了解材料在静载作用下的应力应变关系及常见的三种失败形式的特点和基本规律，这些性能指标的物理概念和工程意义，探讨提高材料性能指标的途径和方向
1、使学生了解力—拉伸曲线和应力——应变曲线。
2 、使学生了解材料的弹性变形以及性能指标
3、非理想弹性与内耗的概念
试谈材料的电性能
板上的电荷在着眼于介电性质时，绝缘体就 称为电介质。介电性的一个重要标志就是材料能 够产生极化现象。
3.2 压电性，热释电性，和铁电性
（1）压电性
1880年，P.居里兄弟发现：当对α-石英晶 体在某些特定方向上加力时，在与力的方向垂 直的平面上出现了正负束缚电荷，这种现象称 为压电效应。
P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界 区域称为结 。结具有单向导电性，结的另一重要 性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏打效 应，可利用来制造光电池。
4.2 热电效应
如果在一根半导体棒或 者金属的两端保持温度差， 那就热端的载流子将趋向于 冷端运动。假设载流子是电 子，那么当他们离开热端而 运动到冷端时，就使冷端变 成负的，从而形成的电场立 即使电子向热流引起电子运 动的相反方向运动。当这两 种过程达到平衡时，则在棒 两端建立起电位差。
① 零电阻效应（完全导电性）
材料的电阻突然降到目前仪器水平所能检测 的极限值以下。使超导体的电阻变为零的温度称 为零界温度，以表示。
② 麦斯纳效应（完全抗磁性） 当温度处于以下时，外加磁
场完全被排除在超导体之外。 这时，如果在其上放置一个磁 体的话，磁体将被顶起一定的 距离。
自1911年荷兰的首先发现汞的超导性以来， 至今人们已经发现了成千上万种超导体，因此超 导体的存在实际上是一种普遍现象，例如铅、锡 等金属，一些合金和化合物具有超导性。不过这 些超导材料的临界温度 都很低，约为4-23.2k。由 于苛刻的低温条件严重限制了超导体技术的应用， 因此寻求高的超导体材料是该领域的主攻目标。
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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