铁电陶瓷
第3章铁电陶瓷5-PLZT
电光效应反映的是电场引起折射率变化，也即是引起折射 率椭球的形变和转动，可表示为
Bmn rmnp E p Rmnpq E p Eq
rmnp
－－线性电光系数，三阶对称张量
只有非中心对称的晶体才具有线性电光效应
Rmnpq －－二次电光系数，四阶对称张量
电控可变光散射效应：――粗晶材料（约大于3微米） • 大的电畴形成散射中心――改变透光率――图象存贮
• 电控可变表面形变效应：――细晶和粗晶材料――三
方晶相PLZT陶瓷――局部畴反转产生局部应变，使表
面形变――陶瓷表面光的衍射和散射。
电光应用
• 电控光阀
• 电控光谱滤色器 • 电光调制 • 图像存储
3.5 透明铁电陶瓷
1 铁电陶瓷的电光效应
光频介电常数
n
2...
一次电光效应，也称线性电光效应(Pockels效应)----介 质的光频介电常数（或折射率）与偏置电场成正比 二次电光效应（又称Kerr效应）－－介质的光频介电 常数（或折射率）与偏置电场的二次方成正比
• 在 PLZT 中 ， 不 同组成表现出不同 的电控双折射行为 ―― 分别表现出记 忆、线性、二次方 效应。
• 记忆特性――方形电滞回线 • 线性电光效应――一次电光效应――n E n = -(1/2) n13rcE3 , rc-- 一次电光系数 二次电光效应――n E2 n = -(1/2) n13RE32，R――二次电光系数
10 X10-12m/V
• PLZT陶瓷－－电光效应可通过改变组分加以控制
铁电陶瓷的电光效应
• 电控双折射效应
n ne no
• 电控光散射效应
PLZT透明铁电陶瓷简介--欢迎报考中国科学院上海硅酸盐研究所
电畴随 机无序 PLZT铁电透明陶瓷中电畴的形态 (a)未极化 (b)已极化
电畴有序排列； 随外电场转向 而转向。
关键区域：不同方向电畴之间的过渡区域 畴壁—光学折 射率不连续的区域当光入射到这里时，将发生折返；光 被散射，畴壁成为无数的散射中心，使原本透明陶瓷呈现 磨砂玻璃的性状入射光被衰减、屏蔽
PLZT透明陶瓷的电光应用——高速光开关
Collimator +
3 1 Input 3 Output I
OC
4
Coupler 2
PLZT晶 体
2
1
Output II
环形镜结构
由耦合器的同侧两臂连接构成。进入耦合器的光被分为两束，分别沿 顺时针和逆时针方向在环中传播，当两束光再次在耦合器中相遇时， 由其干涉决定光纤环形镜的输出特性，实现对光的调制。
PLZT透明陶瓷的电控光散射效应
最大透过率与 最小透过率之 比：100：1
利用电控光散射的光阀示意图
PLZT透明铁电陶瓷的其它效应
除了电控双折射以及电控光散射效应之外， 不同组成的 PLZT 材料还具有电致伸缩效应、 光致伏特效应、光致伸缩效应等，可根据不 同的效应实现材料的应用。
二、PLZT透明铁电陶瓷的发展和主要应用
PLZT透明铁电陶瓷的电控双折射效应
给各向异性的电介质施加外电场 E后，由于压电效应使晶 格产生畸变，介质的折射率n也随之变化，这种由于外电 场引起的晶体折射率的变化现象称为电控双折射效应。 n与E的关系：n=no+aE+bE2 +
电介质的折射率随外电场成线性变化的（由一次项 aE引起）称为一次电光效应； 折射率与电场成平方关系的（由bE2 项引起）称为二 次电光效应。
第3章铁电陶瓷3
2 4 2 3
1 Ba [Ti （Ti ) 2 x ]O V xO 2 2
真空、惰性或还原气氛 2 4 1 2 x 3 2 3 x o
受主掺杂(Ca)BaTiO3的高温电导图
· BaTiO3的施主能级（La· 、VO· ）相距导带底的距离一般只有 0.1-0.2eV, 而大部分受主态杂质距价带底的距离则大的多
3.3 BaTiO3铁电陶瓷
BaTiO3陶瓷的介电性能
单晶单畴BaTiO3的相对介电常数呈现很强的各向异 性，室温下沿极化方向的相对介电常数为230，垂直 极化方向为4770
实际制备的BaTiO3陶瓷的室温介电常数依制备条件
不同在2000－4000之间
II 类: 高介电常数型
高介铁电陶瓷, k ~
Bi3+ (0.96） Bi2/3TiO3
Ni2+ (0.74)
Fe3+ (0.78) 稀土Me3+ (0.99~1.22) Me2O3
NiSnO3
Fe2/3SnO3
12000 BaTiO3 BaZr0.04Ti0.96O3 BaZr0.10Ti0.90O3 BaZr0.15Ti0.85O3 BaZr0.18Ti0.82O3
芯区几乎保持了纯BaTiO3的铁电相, 其介电性能也
保持了纯BaTiO3的介电特性
壳区则为Nb、Co等取代的BaTiO3, 其介电峰移向
室温附近, 室温下壳区并不呈现电畴结构.
可视为铁电相与顺电相构成的复相材料
陶瓷的介电常数可以用混合对数公式计算：
log V1 log1 V2 log 2
10000
铁电陶瓷的应用
铁电陶瓷的应用铁电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有铁电性质，能够在电场的作用下产生电极化，因此在许多领域都有广泛的应用。
下面将就铁电陶瓷在电子产品、医疗领域、能源行业和航空航天领域的应用进行详细介绍。
一、电子产品领域铁电陶瓷可用于电子产品中的压电元件、传感器和微机电系统等方面。
在压电元件中，铁电陶瓷能够在电场的作用下产生变形，因此可用于制造压电换能器，如压电陶瓷谐振器、压电陶瓷声波传感器等，广泛应用于手机、电脑、无线通信设备等电子产品中。
铁电陶瓷的压电性质也使其成为一种优秀的传感器材料，可用于制造加速度传感器、压力传感器等，应用于汽车、航空航天等领域。
在微机电系统中，铁电陶瓷可以作为微型压电马达、微型压电致动器等微型机电设备的材料，有望在微机电系统领域发挥重要作用。
二、医疗领域铁电陶瓷在医疗领域的应用主要体现在超声诊断设备和超声治疗设备中。
铁电陶瓷通过其压电效应可以将电能转化为机械能，被应用于超声探头中，用于超声成像、超声检查等医学诊断手段。
在超声治疗设备中，铁电陶瓷也可用于制造超声振荡器、超声换能器等设备，用于进行超声治疗、超声碎石等医学治疗手段。
三、能源行业在能源行业中，铁电陶瓷可以用于制造压电发电装置、压电储能装置等设备。
通过铁电陶瓷的压电效应，可以将机械能转化为电能，因此可以应用于压电发电装置中，例如压电陶瓷发电装置、压电陶瓷振动发电装置等，用于收集环境中的振动能量、压力能量、声波能量等，实现能源的收集和转化。
铁电陶瓷也可以作为储能装置的材料，用于制造高效的压电式储能装置，可以在电能较少的地方储存能量，为一些特殊场合提供电能支持。
四、航空航天领域在航空航天领域，铁电陶瓷的应用主要体现在航空航天制导系统、主动噪音控制系统等方面。
通过铁电陶瓷的压电效应，可以实现超高精度的航空制导系统，例如利用压电陶瓷制造的压电陶瓷马达、压电陶瓷致动器等机电装置，可以实现航空器舵面的微小调整和控制。
铁电陶瓷也可以用于制造主动噪音控制系统中的压电换能器、压电陶瓷传感器等，通过其压电特性调整和控制飞机、航天器的噪音和振动，提高航空航天器的舒适性和性能稳定性。
铁电陶瓷
第四章铁电陶瓷一、教学内容及要求掌握铁电体的基本概念，理解电滞回线的形成，理解BaTiO3的结构与自发极化特性以及其介电性能的特点，掌握电畴的基本概念，电畴的成核与生长过程，180°畴和90°畴的异同。
理解居里温区的相变扩张的机理，几种相变扩散的异同。
掌握展宽效应，移动效应，重叠效应的作用机制。
掌握铁电老化，铁电疲劳，去老化的概念。
二、基本内容概述4.1概述重点掌握的几个概念：自发极化、、剩余极化、、矫顽场、铁电体、电滞回线、电畴、铁电陶瓷1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。
线性关系，E=0，P=0。
2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。
非线性关系，E=0，P≠0。
3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。
它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。
4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。
5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
6、畴壁（domain wall）：畴的间界。
7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。
当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。
8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。
9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。
10、铁电陶瓷：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化能为外电场所转向的陶瓷称为铁电陶瓷。
4.2陶瓷的铁电性与铁电陶瓷1、BaTiO3的结构与自发极化BaTiO3为钙钛矿结构，由Ba2+离子与O2-离子一起立方堆积，Ti4+处于氧八面体体心。
铁电压电陶瓷
铁电压电陶瓷
铁电压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有铁电和压电效应。
铁电效应是指在外加电场的作用下，铁电材料可以产生一个永久极化。
压电效应是指在外加力或压力的作用下，铁电材料可以产生一个电荷或电势。
铁电压电陶瓷由于具有这两种特殊效应，被广泛应用于传感器、驱动器、存储器等领域。
铁电压电陶瓷材料通常由铜酸钛钽（PZT）等多种陶瓷晶体组成，其中铌酸铋铜酸钛（BNKT）也是一种常见的铁电压电陶瓷材料。
这些材料具有高的压电系数、良好的铁电性能和优异的稳定性，可以在宽温度范围内保持其性能。
铁电压电陶瓷材料可应用于超声波发生器、传感器和致动器等领域。
例如，在超声波发生器中，铁电压电陶瓷材料可以将电能转化为机械振动，产生超声波。
在传感器中，铁电压电陶瓷可以将机械变形转化为电信号，实现物理量的测量。
在致动器中，铁电压电陶瓷可以根据外加电压的变化引起材料的形变，实现精确的控制和调节。
总的来说，铁电压电陶瓷具有优异的压电和铁电性能，广泛应用于多个领域。
随着技术的不断发展，铁电压电陶瓷也在不断改进与创新，将为各种应用提供更高效、可靠的解决方案。
pzt和pt陶瓷的热释电效应与晶格参数的关系
pzt和pt陶瓷的热释电效应与晶格参数的关系
热释电效应是指在温度变化下，物体表面电荷分布的改变，从而产生电势差的现象。
铁电陶瓷材料在热释电效应方面具有很好的应用前景，可以用于传感器、电源和设备控制等领域。
PZT和PT陶瓷是铁电陶瓷中应用广泛的两种材料。
它们的铁电性质与晶格参数密切相关。
本文将介绍PZT和PT陶瓷的热释电效应与晶格参数的关系。
PZT陶瓷的晶格参数是指晶体的晶格常数，通常用来描述物质的结构和性质。
PZT陶瓷是一种四方相铁电陶瓷，其晶格参数与热释电效应密切相关。
在PZT陶瓷中，热释电系数与电介质常数、铁电极化强度和温度有关。
晶格参数对这些参数的影响是很深远的。
与PZT陶瓷相比，PT陶瓷的晶格结构更为简单，其晶格参数也更易于确定。
PT陶瓷是一种钙钛矿型铁电陶瓷，其晶格参数与热释电效应的关系也已经得到了广泛的研究。
研究表明，PT陶瓷的热释电系数随着晶格常数a、b、c的增大而增大，与PZT陶瓷的情况类似。
但与PZT陶瓷不同的是，PT陶瓷的铁电极化强度随着晶格常数的增大呈现先增大后降低的趋势，也就是存在一个临界晶格常数，超过这个值以后铁电极化强度会逐渐降低。
铁电陶瓷
(1) 介电常数ε 与温度T的关系
BaTiO3单晶（单畴）的ε与T的关系 （按四方晶系的a轴和c轴测量）
立方
四方 正交 三角
在－80,0,120℃出现ε的峰值
a轴的ε比c轴大
Tc处ε最大，且与方向无关
陶瓷的ε介乎单晶的a轴和c轴的数值之间 多晶：晶粒随机取向
6.2 铁电材料
铁电性的基本概念 铁电陶瓷 铁电瓷的改性机理 铁电瓷的老化与疲劳现象
铁电陶瓷材料确定原则
重点掌握的几个概念：
自发极化 剩余极化 矫顽场 铁电体 电滞回线 电畴 铁电陶瓷
6.2.1
基本概念
Q
Q’
电介质的极化后： 极板上的电荷密度：
Q D Q Q' S Q Qo Q '
介电体 压电体 热释电体 铁电体
6.2.2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
一、 BaTiO3的结构与自发极化
二、 BaTiO3的介电性能
一、 BaTiO3的结构与自发极化 (1) 结构
(2) BaTiO3的相变
(3) 自发极化产生的原因 (4) 电畴结构及其运动方式
(1) 结构
BaTiO3 为钙钛矿结构，由 Ba2+ 离子与 O2- 离 子一起立方堆积，Ti4+处于氧八面体体心。
BaTiO3的自发极化起因在于钛离子的位移
16 14 12 10 8 6 4 2 0
Ps×10 (C/cm )
T1 T2
-6
2
Tc
-200
-150
-100
-50 T( C)
o
0
50
100
150
BaTiO3单晶的Ps与温度的关系
钛酸钡BaTiO3压电陶瓷纤维及其复合材料
钛酸钡BaTiO3压电陶瓷纤维及其复合材料钛酸钡铁电陶瓷是以钛酸钡及其固溶体为主晶相的陶瓷。
属钛钙矿型结构。
在温度高于120℃时为立方顺电相，温度在5～120℃时为四方铁电相，-80～5℃时为正交铁电相。
低于-80℃时为三方铁电相。
具有高介电性、压电性。
采用固相烧结法制取。
为陶瓷电容器的主要材料。
广泛用作铁电陶瓷器件和正温度系数热敏电阻材料。
特点：化学式为BaTiO3，属ABO3钙钛矿型结构。
在温度高于120℃时，BaTiO3为立方顺电相；温度在5~120℃时，为四方铁电相；温度在-80~5℃时，为正交铁电相；当温度低于-80℃为三方铁电相。
应用：由于钛酸钡具有高介电性，一直是陶瓷电容器的最主要材料。
另外，它经极化后具有压电性，因此可用于制作压电器件。
由于钛酸钡是具有氧八面体结构的有代表性的铁电体，多年来一直被作为典型的铁电陶瓷得到广泛研究与应用。
通过施主掺杂制成的钛酸钡半导体陶瓷，是正温度系数热敏电阻的基本材料.性能：铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变.钛酸钡BaTiO3压电陶瓷纤维及其复合材料BaTiO3/piezoelectric ceramics Fiber复合材料，描述：采用溶胶-凝胶法制备钛酸钡溶胶和粉末,并分别采用连续纺丝技术和粉末-溶胶混合挤出技术制备钛酸钡压电陶瓷纤维,系统研究钛酸钡纤维的结构和性能.17)掺杂钛酸钡的有机金属卤化物钙钛矿CaO 41.24%|TiO2 58.76%薄膜材料掺杂BaTiO3的有机金属卤化物Perovskite薄膜材料，Sn型有机金属卤化物钙钛矿薄膜描述：采用掺杂的方法把钛酸钡材料加入到钙钛矿材料当中,使其均匀的分散到钙钛矿溶液当中,然后采用旋涂的方法在介孔二氧化钛薄膜上旋涂含有钛酸钡的钙钛矿层,作为太阳能电池的光吸收层材料.18)钛酸钡界面修饰层的钙钛矿材料阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿，有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料描述：采用PCBM/C_(60)/LiF三层阴极界面修饰层(Cathode buffer layers,简称CBLs)来实现高性能的平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池,所制备的器件结构为:ITO/PEDOT:PSS/CH_3NH_3PbI_3-x Clx/CBLs/Al。
铁电陶瓷的特性,介绍其潜在应用
多层电容 压电变换器
压电马达 压电驱动器 电致伸缩驱
动器
块材
介电电容器 红外探测器
压电传感和 驱动器 电光快门
电光显示器
膜材
非易失随 机存储器
阻挡层 集成光学 抗反射膜
14
非易失随机存储器
普及型室内幕帘式被动红 外线移动探测器，尤其适 合于小区防盗使用，外形 时尚精致，线条流畅
压电陶瓷马达
高介电型陶瓷 电容器常数
图4 不同应力下的电滞回线
12
2.4 软硬性铁电陶瓷的比较
比较两条曲线[2]
相同点：包括初始近似线性段,曲
线斜率先从递减向递增转化的非线 性段,以及在应力增加到一定值时, 又变成曲线斜率较大的近似线性段. 并且,非线性曲线上从斜率递减向 递增转化的拐点G处应力值． 不同点：对于硬PZT4大约为 125MPa,软PZT4在70MPa左右.这 表明PZT铁电陶瓷在载荷作用下的
4
1、铁电陶瓷的电畴理论 900
↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ →→→
图中 小方格代表晶胞 箭头代表电矩方向
↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ → →→→ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ →→ →→→ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ →→→ →→→
↑ ↑ ↑ ↓ →→→→ →→→
1800 图1 BaTiO3电畴结构示意图
5
在同一晶粒内具有相同取向的自发极化和自发 应变的晶胞团称为电畴[4].
应力应变非线性响应与压电材料微 观电畴偏转密切相关．
图５ 软硬铁电陶瓷的应力－电位移曲线
根据两者对应力的敏感性不同，可以在应用在不同的领域．
13
ห้องสมุดไป่ตู้
3、铁电陶瓷的特性及其应用
以上介绍了电滞回线的变化规律及其原因，我们深刻的认识到 电畴翻转是铁电陶瓷产生非线性曲线的原因，也正是有了这一 理论，使我们对铁电陶瓷产生了浓厚的兴趣，在对它的认识过 程中挖掘出了许多有利于人们生活的应用[3]。
铁电材料的功能及应用前景
铁电材料的功能及应用前景随着科技的迅猛发展，新型材料的研究成为当前热点领域。
铁电材料是其中之一，它具有独特的电学、光学、磁学等性质，并且具有广泛的应用前景。
本文旨在探讨铁电材料的功能及应用前景。
一、铁电材料的基本性质铁电材料是指在无外界电场作用下具有极化性的材料。
它们具有如下特性：1. 巨电介电常数：铁电材料在外电场作用下能产生极化，极化电荷密度可高达$10^{12}$C/m²，极化状态下介电常数会增加几百倍。
2. 非线性光学效应：铁电材料呈现非线性光学效应，如二倍频、三倍频、四倍频等。
3. 逆铁电效应：铁电材料在电场作用下能发生极性倒转，这一性质称为逆铁电效应。
4. 压电效应：铁电材料在外力作用下会发生形变，并产生极化，这一性质称为压电效应。
铁电材料具有这些独特的性质，因此被广泛地研究和应用。
二、铁电材料的应用前景1. 铁电存储器铁电存储器是一种新型非挥发性存储器，它可以在断电的情况下保持存储信息。
铁电存储器具有速度快、容量大、数据稳定等优点，可以替代掉传统的闪存存储器。
目前，铁电存储器已经在智能手机、平板电脑等消费电子产品上得到了广泛的应用。
2. 铁电陶瓷铁电陶瓷具有良好的压电性能和介电性能，可以广泛应用于传感器、滤波器、调谐器等电子领域。
此外，铁电陶瓷的压电效应还可以应用于医疗领域，如超声波治疗、成像等。
3. 铁电液晶铁电液晶具有特殊的光学性能，它可以将光线分成两个波，这一特性被广泛应用于显示器、多媒体终端等领域。
4. 铁电玻璃铁电玻璃具有独特的光学、磁学性能，可以应用于光学信息存储、电磁屏蔽、光纤通信等领域。
5. 铁电探测器铁电探测器由于其灵敏度高、稳定性好等优点，可以广泛应用于安全监控、卫星通信等领域。
三、铁电材料的研究进展目前，铁电材料的研究已经进入到了新时代。
一方面，这一领域的学术研究十分活跃，研究人员们致力于发现新型铁电材料，探索铁电材料的新性质；另一方面，铁电材料的工业生产也在逐步扩大。
铁电陶瓷
(3) 薄膜材料制备工艺。
（三）透明铁电陶瓷
一、透明铁电陶瓷的组成和相图
由于气孔相、晶界和杂质相的散射，一般多晶体陶瓷是不透 明的，通过适当的工艺，可以控制其显微结构和晶界性质，使
之成为透明陶瓷，一般 Al2O3 、 Y2O3 、 MgO、 BeO、 ThO等都
可制成透明陶瓷。 PLZT 既有透明性，又有铁电和压电性，其光学性质与铁电
•压电陶瓷超声波焊接
压电超声马达
世界上最小的马达（电机）：重36mg，长5mm，直径 1mm，可作为人造心脏的驱动器。
压电喇叭应用实例
N506i V501T
•压电陶瓷超声清洗
•压电陶瓷探伤仪
•压电陶瓷测厚仪
•压电陶瓷加湿器
压电陶瓷变压器雷 达显示器高压电源
压电变压器电警棍
•压电陶瓷喷墨打印
的电场时，那些取向和电场方向一致的畴生长变大，而
其它方向的畴收缩变小，随后产生净极化强度。
铁电陶瓷与其它的电介质陶瓷不同，它的极化强度 不与施加电场成线性关系，并具有明显的滞后效应。
饱和极化强度Ps
剩余极化强度Pr 矫顽电场强度Ec
饱和电场强度Esat
铁电体的电滞回线
主要内容
一、 压电陶瓷
二、 热释电陶瓷
•压电陶瓷内部结构（电畴形成）
由于压电陶瓷极化后具有压电性，因此，构成陶瓷
的晶体必须是铁电体。铁电体从顺电相转变为铁电 相时具有自发极化，自发极化方向一致的区域成为 电畤。铁电畴之间的界面称为电畤壁。两电畤平行 排列的边界称为180°畴壁，两电畤互相垂直的边界
称为90°畴壁。
相邻两个畴中自发极化方向只能成90°角或180°角， 相应电畴交界面就分别称为90°畴壁和180°畴壁。
铁电陶瓷
铁电陶瓷材料的研究现状尤欣欣（渭南师范学院化学与生命科学学院，08级材料化学1班）摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。
这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。
最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。
关键词：铁电陶瓷；铁电性；钙钛矿；研究0前言铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)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。
铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。
其电性能：高的抗电压强度和介电常数。
在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。
介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。
铁电陶瓷的特性决定了它的用途。
利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。
利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性，可以制作红外探测器等。
利用其压电性可制作各种压电器件。
此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。
铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。
但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。
因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。
钛酸钡 介电常数
钛酸钡介电常数钛酸钡（Barium Titanate）是一种重要的铁电陶瓷材料，具有优异的介电性能、非线性光学性能、压电性能等多种特殊性质，具有广泛的应用前景。
它的结构属于ABO3型钙钛矿结构，由钛氧八面体和钡离子构成，是一种典型的铁电材料。
介电常数是指介质在电场作用下电容率与真空电容率的比值，它是表示介电性能的重要指标。
钛酸钡的介电常数可分成自然介电常数、残余介电常数和饱和极化强度三种类型。
1. 自然介电常数钛酸钡的自然介电常数随着温度的升高而降低，并且随着晶体结构的改变而发生变化。
在常温下，它的自然介电常数为约1200，而在它的熔点1500℃时，自然介电常数降至20左右，介电损耗非常小。
这种温度响应性质以及高介电常数使得钛酸钡在超声波信号应用中具有广泛的应用前景。
残余介电常数是指当外场作用消失时，材料仍然存在的极化电荷所产生的介电常数。
在钛酸钡中，残余介电常数与晶体结构、晶化方式、制备工艺等因素密切相关。
一般来说，制备粗晶钛酸钡的残余介电常数相对较低，而制备高品质钛酸钡的残余介电常数则相对较高，可达到500左右。
因此，高品质的钛酸钡材料在电子元件和固体电容器中具有重要的应用价值。
3. 饱和极化强度饱和极化强度是指在外界电场的作用下，材料极化电荷的最大值。
在钛酸钡中，饱和极化强度与材料的晶体结构、温度和外界电场大小等因素密切相关。
一般来说，在较低的温度下，饱和极化强度比较高，在高温下则会发生降低。
钛酸钡的饱和极化强度可以达到0.2C/m2，为许多铁电材料中的佼佼者。
总体而言，钛酸钡的介电常数是它优异性能的关键之一，其高介电常数、低介电损耗、饱和极化强度大等特点有利于其在电子元件、声波元件、固体电容器、电力电子等方面的应用。
随着纳米材料及制备技术的不断发展，未来钛酸钡的应用前景将更加广泛。
压电陶瓷和铁电陶瓷的关系
压电陶瓷和铁电陶瓷的关系1. 压电陶瓷的奇妙世界你有没有想过，日常生活中有一些材料可以“听话”，能把压力变成电能？这就是压电陶瓷的神奇之处。
想象一下，当你用手指轻轻一按，这些小家伙就能产生电流，简直就像它们有自己的小脑袋一样！压电陶瓷主要由一些特殊的氧化物制成，比如二氧化钛。
这种材料不仅能感应压力，还能把它转换成电能，让我们在一些小设备中，像是传感器和扬声器，发挥重要作用。
比如说，当你按下手机屏幕，它就能准确反馈，这可离不开这些压电陶瓷的辛勤工作呢。
1.1 压电效应的原理说到压电效应，得好好聊聊它的原理。
简单来说，当压电陶瓷受到压力时，内部的电荷就会发生移动，形成电场。
这样一来，我们就可以利用这些微小的电场来驱动各种电子设备。
想象一下，就像你给小朋友讲故事，他们认真听着，突然被你吸引住一样，压电陶瓷也在悄悄地为我们提供电力。
这种神奇的转换过程，真是让人叹为观止，简直就像魔法一样！2. 铁电陶瓷的魅力不过，咱们今天不仅要聊压电陶瓷，铁电陶瓷也不容小觑哦！它们同样是陶瓷家族中的一员，尤其在电气领域大展拳脚。
铁电陶瓷的特别之处在于，它们不仅能储存电能，还能在特定的条件下反转极性。
这就好比是一个能随时改变主意的小孩，今天想要吃冰淇淋，明天却又想吃蛋糕。
铁电陶瓷的应用范围非常广泛，比如在计算机存储器中，它们的作用可是相当重要的。
2.1 铁电效应的魔力铁电效应就像是给铁电陶瓷装上了“变形金刚”的超能力。
它们可以在外部电场的影响下，改变自身的极性，从而储存大量的电能。
这种性质使得铁电陶瓷在电子器件中的使用越来越普遍。
就像你在生活中总会遇到一些变幻莫测的事情，有些事情的发生可能会让你感到意外，但铁电陶瓷却总能在关键时刻给你一个惊喜。
3. 压电与铁电：巧妙的关系那么，压电陶瓷和铁电陶瓷到底是什么关系呢？其实，它们就像是兄弟，虽然各有各的“绝活”，但又有着千丝万缕的联系。
压电陶瓷是利用机械应力来产生电信号，而铁电陶瓷则是通过电场影响来存储电能。
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电
陶
瓷
学
院：2011学院与材料学院
铁 电 陶 瓷
☆ 铁电体
介电晶体在某温度范围内可以自发极化（介电常数很 高），而且极化强度可以随外电场反向而反向。同铁磁体具
有磁滞回线一样，把具有电滞回线的晶体称为铁电体。
虽然叫铁电体，但这些晶体并不一定含有铁。 铁电性(ferroelectricity)是指在一定温度范围内具有自发极化， 在外电场作用下,自发极化能重新取向,而且电位移矢量与电场 程度之间的关系呈电滞回线现象的特性。
的原因。当交变电场引
起的应变大于材料的断 裂应变时，材料断裂。
★ BaTiO3陶瓷介电特性
（1）铁电瓷有很高的介电常数
特别是在Tc附近，高达6000以上
（2）铁电瓷的ε随温度变化，没有线性关系
（3）散逸因子tanδ为0.01~0.02
（4） Tc为120℃ （5）铁电瓷的ε受频率影响，当f≥107Hz后， ε 显著降低
0℃
－80℃
120℃
立方
四方
正交
三角
BaTiO3陶瓷电滞回线
电滞回线面积与铁电介质 的损耗成正比，该能量损耗 用来克服自发极化改变方向 和克服杂质、气孔、晶界等 缺陷对畴壁运动产生的摩擦 阻力。 因此，对结构完整的单晶， 因介质损耗小，回滞曲线较 窄； 对于存在缺陷和应力复杂 的多晶陶瓷，曲线较宽。
（2）压峰剂
能压低居里点ε值，使其随温度变化变得平坦的，如CaTiO3、 MgTiO3、 Bi2(SnO3)3、 Bi2(TiO3)3、 NiSnO3、 MgZrO3等。
（3）烧结助剂
促进烧结的，如Al2O3、 SiO2、ZnP、Nb2O5、WO3、 CeO2等。
（4）防还原剂
防止还原的，如Fe2O3、 MnO2、CuO等。
添加剂对居里点的影响
BaTiO3 -SrTiO3系统
BaTiO3陶瓷壳芯结构
不均匀的显微结构。壳芯部分是具有电 畴结构的纯BaTiO3或杂质含量很少的BaTiO3铁 电相；壳层部分是富含杂质的BaTiO3顺电相， 两部分都属于ABO3型钙钛矿化合物。 具有这种结构的BaTiO3瓷具有平坦的 ε－T关系。
★ BaTiO3铁电陶瓷
（1）高介电常数铁电陶瓷
ε高达20000，Tc移至室温。
电容器常温下容量 虽然大，但其变化率也 很大，当温度在－40℃ 或80 ℃左右时，电容器 容量只有常温时的10～ 20%
（2）低变化率铁电陶瓷
如果引入第二类添加剂，这些添加剂产生易熔液相，成为晶界， 形成高介电相周围连续分布低介电相的显微组织。
当两相ε值相差悬殊时，就 会使BaTiO3居里点处的ε峰显著
降低。
如：Bi2(SnO3)3和Bi2(ZrO3)3压 峰作用都很明显。
若再加入少量Nb2O3、ZnO等
氧化物，变化率更低。
低变化率铁电陶瓷组成
（3）高压铁电陶瓷
注意：BaTiO3陶瓷在居里温度以下的击穿特征是晶界层的突然破坏；
在居里温度以上的击穿为陶瓷中晶粒的击穿。 陶瓷的细晶化有利于致密度提高，也有利于击穿强度的提高。
（2）掺杂改性
当添加元素的电价与Ti4＋或Ba2＋不相等，或半径与其相 差很大时，离子在BaTiO3中固溶度很小，但使其改性显著， 这叫掺杂改性。 常取代Ba2＋的有：La3＋、Cd3＋、Dy3＋等；取代Ti4＋的有 Nb5＋、Ta5＋等。
添加剂按添加目的分类
（1）移峰剂
能移动居里点的（从120℃到室温附近），如BaSnO3、 BaZrO3、 CaZrO3、 CaSnO3、 SrTiO3、 PbTiO3、La2O3、CeO2等。
这是由于畴壁的运动，即新畴的成核和成长需要时间
（6）当频率升高时，由于反转运动更频繁，使tanδ增大
BaTiO3陶瓷介电特性与温度的关系
BaTiO3陶瓷介电特性与频率的关系
★ BaTiO3陶瓷改性
（1）置换改性
当添加元素的电价与Ti4＋或Ba2＋相等，半径与其相近时， 离子能大量溶入BaTiO3中，形成置换固溶体，这叫置换改性。 常置换Ba2＋的有：Ca、Sr、Pb等；置换Ti4＋的有Zr等。
如果晶体只有两个或两个以上自发极化 相（铁电相），则在不同温度下可能发生好 几次相变，通常只把温度最高的相变点称为 居里点，其他相变点为转变点。
BaTiO3
BaTiO3和以BaTiO3基固溶体 为主晶相的陶瓷，是铁电陶瓷 的代表性陶瓷材料。
BaTiO3在1460℃以上为六方晶型，1460 ℃～120 ℃为立方 晶系。1460 ℃以下存在三次相变，四种不同晶型，依次为立 方、四方、正交、三角晶系。
☆ 自发极化
自发极化是铁电体特有的极化形式。在某温度范围内，当不 存在外加电场时，原胞中的正负电荷中心不互相重合，即，每个 原胞具有一定的固有偶极矩，这种极化形式就是自发极化。 出现极化的必要条件是晶体不具有对称中心，但并不是所有 不存在对称中心的晶体都能出现自发极化。
热释 电体
铁电体
32种晶型晶体中，21个不对称中心，20个 具有压电效应。
ε 除了随温度变化外，受所加交流电场强度、 直流偏压趋向一致，材料在 沿E方向伸长，垂直E方向收缩。 去除电场后，电畴和应变不能再回到原始状态。 而剩余伸缩或伸长就叫电致伸缩或者电致应变。
BaTiO3陶瓷应变
铁电瓷在电场中的 应变是其不能用于高频
两电畴相互平行的边界为180°畴壁；相互垂直为90°畴壁。 如果是单晶体，不同电畴中极化强度的相互取向有简单关系；
如果是多晶体，由于晶粒本身取向的任意性，不同电畴中极化强
度的相互取向可以是无规律的。
90°
180°
压电陶瓷为多晶体
☆ 电滞回线
铁电体自发极化的结果是出现高的介电常数和电滞回线。
电滞回线是铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹。当外电场 施加于铁电体晶体时，极化强度沿电场方向分量的电畴变大，而与之反平行 方向的电畴则变小。 随着电场强度增加，极化强度开始慢 饱和极化强度 慢增大，其后迅速增大，当E增大到使晶体 内只存在与E同向的单个电畴时，P饱和。 此时再增大E，P随E线性变化（与一般线性 电介质同）。 剩余极化强度 E开始降低，P降低，E＝0时，P≠0 (Pr)。
BaTiO3晶胞参数
四种相中，只有 立方相为顺电相，其 他三种均为铁电体。
BaTiO3介电常数
由于BaTiO3在升温和降温过程中晶胞参数变化不重 合，导致ε＝f(T)曲线在相变温度附近亦不重合，被称 为“热滞现象”。
在居里点处，ε 值与测量方向无关， 具有最大值（104～ 105）。
TC附近ε 有最大值，温度＞TC： ε 随温度的变化：居里－外斯定律变化
矫顽电场
E反向，P迅速降低，至－Ec时，P＝0； E增大，P反向增大，一直到饱和。 此后E由负饱和电场值变化到正饱和值， P沿回线另一部分回到初始下降值，构成了 电滞回线。
☆ 居里点
铁电体的自发极化在一定温度范围内呈现，当温度高于某
一临界温度Tc时，自发极化小时（P＝0），铁电晶体从铁电相
转变为非铁电相（又称顺电相），这一临界温度称为居里温度 （居里点）。
压电体
而这20个压电晶体中10个具有自发极化现 象，称为极性晶体，因受热产生电荷，故又称 热稀电晶体。
在极性晶体中，因外加电场而改变自发极 化方向为铁电体。 凡是铁电体必是热释电体，而热释电体必 是压电体。
介电体
☆ 电
畴
铁电晶体内存在电畴。电畴指自发极化方向相同的小区域，铁
电体中一般包括多个电畴。电畴之间的界面叫做电畴壁。