电介质材料压电热释电铁电介质材料

➢早在 1984 年，美国科学家将 PVDF 薄片安置在生物体上，以生 物体呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量作为研究基础，将生物体运 动时产生的能量转换为电能，驱动外部设备。压电式发电器装置固 定在狗肋骨上，利用狗的自然呼吸可产生 18V 电压，能量 17uW。 优化 PVDF 压电换能元件形状，同时设计更适合贴在动物肋骨上 的辅助设备，最终测试发现输出能量能够达到1mW。
➢压电陶瓷：压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆 钛酸铅PZT等。抗酸碱，易制成任意形状。需高压极化处理。
2.有机压电材料
➢高分子压电材料：如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜），这类 材料材质柔韧，可做极薄的组件，需极高的极化电场
3.复合压电材料
这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、
1969年 发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有优良的压电性后， 聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。
之后，又经过近六十多年的发展，压电材料已经从最初的压电晶体， 发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物以及压电陶瓷/聚合物复合 材料。
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压电式发电器装置从环境中吸取机械能，转换成电能驱动 微机电系统。
自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即
铁电效应。
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3
3.1 压电材料
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
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压电蜂鸣器
4
压电陶瓷因受力形变而产生电的效应
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5
➢压电陶瓷片，它利用压电效应工作，既
可以作发声元件又可以作接收声音的元件。
而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是
或粉末状压电材料构成的。 .
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二、压电材料的历史
➢早在世纪前，锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质， 当电气石投入热的灰烬当中时，这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几 分钟之后排斥掉它们。
➢十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。
➢1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生电 的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。
➢外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化 强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电 效应。
➢在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部
束缚电荷极化强度的变化，引起电极表面上外界自由
电荷的释放或补充。
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逆压电效应≠电致伸缩
➢压电效应产生的应变与电场成正比，当电场反向 时，应变改变符号，即正向电场使试样伸长，反向 电场使试样缩短。 ➢电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比， 当电场反向时，应变不改变符号，即无论正向电场 或反向电场均使试样伸长（缩短）。
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1947 年美国的 Roberts 发现了钛酸钡（BaTiO3）的压电性，使得 多晶材料得到发展。获得压电性所需的极性可以通过暂时施加电场 的方法，从一块各项同性的多晶陶瓷得到。
采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，钛酸钡陶瓷的发现是压电材 料发展的一个飞跃，至此，压电材料形成了两大类：压电单晶材料 及压电陶瓷材料。
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作为介电材料：可用介电系数ε，介电损耗 tgδ，绝缘电阻率ρ和介电强度Eb等表征。
➢1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
➢1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放在
石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他们
所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠－
第九章 电介质材料
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电介质材料
电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电 阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的 方式呈现其电学性能的物质。
电介质材料的主要效应： 压电性-------压电效应 热释电性-----热释电效应 铁电性--------自发极化与铁电体
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① 压电效应：在晶体上施加压力、张力、切向力时， 则发生与应力成比例的介质极化。
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2. 压电多晶转换机理（自发极化）
➢压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化 处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷属于 铁电体，人工制造多晶材料，它具有电畴结构在无外电场作 用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互 抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
▪1917年 美国贝尔（Bell）实验室的A.M. Nicolson制成压电拾音 器和扬声器，并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。
▪1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械谐振频率特有的 电性能。
▪1919年 用罗息盐制成了电声组件，这为压电材料在通讯技术和频 率控制等方面的应用研究奠定了基础。随后罗息盐又在滤波器、换 能器和声纳等方面获得了应用。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
(a)极化处理前
(b)极化处. 理中 (c)极化处理后
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电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法 测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因？
极化后，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电 荷，由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外 界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数 量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。
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7主要内容一、概源自 二、研究史 三、基本原理 四、性能参数 五、典型的压电材料 六、应用
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一、概述
➢压电效应：除了电场产生极化外，在某些电介质晶体中， 还可以通过纯粹的机械作用（拉压力、压应力或切应力） 而发生极化，出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外 力成比例。
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9
压电效应：
❖正压电效应：
材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极 化，其值与应力的大小成比例，其符号取决于应力的方向。 外力撤掉后，又重新回到不带电的状态。
❖逆压电效应：
逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下 发生电极化时，则会产生应变，其应变值与所加电场的强 度成正比，其符号取决于电场的方向。
➢ 有正压电效应的晶体必然有逆压电效应，正压电常数数与
它。
➢压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一
层厚约1mm的压电陶瓷，再在陶瓷表面
沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它
的两个电极。
➢现象之一：如将它弯曲，它的表面就会
出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性
也会相反。
➢现象之二：如在压电陶瓷片的两个电极
上施加一定电压，它就会发生弯曲，当电
压方向改变时，弯曲方向也随之改变。
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按照晶体的宏观对称性，晶体可分为：七大晶系、32种点 群，其中21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效 应。
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总结：单晶压电效应
➢ 单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。 ➢ 无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即无对
称中心的晶体并不能保证都有压电性。
➢ 产生机理：晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用 下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被 破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现 剩余电偶极矩。
逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， Ｅ 虚线代表形变后的情况）
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－－－－－－
＋＋＋＋＋＋ 向电
极化
方向
场
－－－－－－ 方
＋＋＋＋＋＋
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总结：压电陶瓷的压电效应
➢压电陶瓷的压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极 化，这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向 排列的结果，即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余 极化强度。
➢1996 年，英国科学家试验分析发现发电器装置内部的压电陶瓷发 电总量与其变形频率的立方成正比。此发电器装置，在 70Hz 的振动 频率下产生1uW 的能量，在振动激励为 330Hz 的情况下产生 0.1mW 能量。
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1998 年，美国麻省理工大学科学家 Kymissis 将压电式发电器装 置以不同方式安置入鞋中，收集人行走过程中所丢失的能量。安 置压电冲击式装置在鞋后跟处，同时安装一个 PVDF 材料的薄板 在鞋子的前鞋底处。测试发现压电式冲击机构产生峰值电能为 80mW，PVDF 材料峰值电能达到 20mW，电磁式机构峰值电能 为 20mW。由于外界激励缓慢，PVDF 装置和冲击式压电装置的 平均电能都很低，电磁式结构不易实现，安装在鞋子里很困难， 并受步伐影响。
此研究证明了压电发电装置在自身供能系统中应用的可行性， 表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。
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三、压电转换机理
1. 压电单晶的转换机理
晶体存在对称中心，晶体 发生形变后仍保持极化强 度为零，无压电效应。
由于石英晶体不存在对称中
心，当给晶体施加压力时，
产生极化后某一方向出现剩
. 余偶极矩。
剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
. 的自由电荷示意图
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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、
负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，
原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而
出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正
压电效应。
正压电效应示意图 （实线代表无外力情况， 虚线代表加外力的情况）
② 热释电效应：具有自发极化，晶体可以因温度变 化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效 应
③ 铁电效应：具有自发极化，且自发极化方向能随 外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是 具有电滞回线。
➢热释电效应与铁电效应的区别
两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自
发极化偶极矩发生变化，即热释电效应；
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利用压电效应，有了一种声-电，电-声转换的两用器件， 可以当话筒用：对压电陶瓷片讲话，使它受到声波的振动 而发生前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯曲，在压 电陶瓷片的两电极就会有音频电压输出。
相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的两极，由 于音频电压的极性和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生 相应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时候，它又成了 喇叭。
S∝E2
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四、压电材料的性能参数
对压电材料特性要求：
①转换性能。要求机械能与电能转换效率高。 ②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。 ③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。 ④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。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图
（实线代表形变前的情况，虚线
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代表形变后的情况）
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同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象，就是逆压电效应。
NaKC4H4O6．4H2O)。
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▪1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理， 推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预 言很快就被居里兄弟用实验所证实。
▪1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水下发射和接收换 能器，这是最早的压电换能器，并用于探测水下的物体。
逆压电常数必然相等，且一一对应。
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极化面
能量的转换
F
Q
逆压电效应
机械能 压电介质 电能
正压电效应
F
压电效应及可逆性
力→形变→电压
正压电效应
电压→形变
逆压电效应
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压电材料分类
1.无机压电材料
➢压电单晶：是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。 这种晶体结构无对称中心，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、 锗酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。