2引言-2018 (1)
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近代信息功能陶瓷材料及其应用基础
唐子龙，岳振星
清华大学材料学院
课程内容
一、介电材料的基本物理性质-电介质物理基础（极化、色散、 弛豫及等效电路） 二、空间坐标变换及张量-压电体的物理性质（坐标变换、张量、 晶体对称原理及压电矩阵、压电方程） 三 、压电换能与机电类比（机电谐振、等效模型及压电特性） 四 、铁电体特性及材料（铁电性、铁电体、铁电陶瓷及应用） 五、非线性现象与铁性晶体 六、
E-scan Antenna utilizing phase shifters
电调谐微波器件－调谐滤波器和双工器
铁电/超导调制滤波器－利用高温超导陶瓷的低表面电阻制 备高Q值微波调控器件
利用电阻非线性制造敏感元件
离子导电陶瓷－固态氧化物燃料电池
高温超导线材
超导材料：BSCCO-2223
YBCO-123
导电陶瓷－电子导电陶瓷、离子导电陶瓷、质质导电陶瓷、混合导电陶瓷等 超导陶瓷－高温超导陶瓷 磁性陶瓷－铁氧体陶瓷－软磁、硬磁、旋磁铁氧体等 生物陶瓷－生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等
• 直接效应－电学、力学、磁学、热力学、化学、生物 • 耦合效应－机电、热电、光电、磁电耦合
电荷 电流 电场 磁场 应力 热 光 电导率 磁－电效应 压电效应 热电效应 光电效应 磁化强度 电－磁效应 磁导率 压磁效应 － － 应变 逆压电效应 磁致伸缩 弹性常数 热膨胀 光致伸缩 温度 电卡（热）效应 磁卡（热）效应 － 比热 － 光 电光效应 磁光效应 光弹效应 － 折射率
超导滤波器在移动通信基站中获得应用
超导滤波器子系统
低损耗、带边陡峭、宽带
Microwave non-reciprocal passive components: circulator
功能陶瓷主要分类：
电介质陶瓷－绝缘陶瓷、电容器介质陶瓷、微波介质陶瓷、低温共烧陶瓷等 铁电陶瓷－高介介电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、弛豫铁电陶瓷、反铁电陶瓷等 压电陶瓷－一元系、二元系、三元系压电陶瓷，无铅压电陶瓷、电致伸缩陶瓷等 半导体陶瓷－PTC热敏陶瓷、NTC热敏陶瓷、气敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、光敏 陶瓷等
The third group of properties: Transport properties
Piezoresistivity, Hall effect Related to the movement of charge, heat, and mater. Electrical conductivity Thermal conductivity Diffusion
多层陶瓷电容器－－电学并联
n 2 0 r S C d
X7R1210
利用微波介质陶瓷制备微波器件 介质波导 谐振器件
微波天线
微波滤波器
介质基片
介质电容器
新型压电驱动器及超声波电机 Piezoelectric Motor / Ultrasonicwenku.baidu.comMotor
摇头压电电机
热释电效应
参考书目
电介质物理学, 殷之文主编
铁电物理学, 钟维烈著 压电铁电物理,王春雷等编著 材料性能-各向异性,对称性与结构
(Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure), R. E. Newnham
功能陶瓷的主要物理性能与效应
老化 aging/疲劳 fatigue
压电陶瓷材料部分
压电本构关系--压电方程组 材料参量(介电、弹性、压电)之间的关系 振动模式和机电转换
物理性能的各项异性 新型元件性能分析
铁电材料部分
基本物理现象 热力学理论
微观机制 软模概念
结构相变
铁电体|自发极化
器件应用
介电响应 畴结构和极化 反转过程
Relationship of dielectrics
Dielectrics Piezoelectrics
Pyroelectrics
Ferroelectrics
Piezoelectric ceramics
传统电介质物理
四大问题： 极化 polarization 损耗 loss 弛豫 relaxation 击穿 breakdown
大功率压电陶瓷器件：
汽车共轨燃喷系统用多层压电陶瓷驱动器
欧洲约40%的汽车发动机燃用柴油, 为压电陶瓷 驱动器开辟了新的市场, 1亿只/年!
研发高d33、Tc压电陶瓷
Piezoelectric Energy Harvesting 压电能量收集系统
Environmental Energy Harvesting
中空压电电机
二维微动台
超声电机驱动系统
微型压电电机
行波压电电机
直线 压电驱动器
中空压电电机
单向压电电机
可用于 汽车反光镜car reflecting mirror、方向盘car steering wheel 、座椅头靠 seat regulator、车门玻璃升降装置window regulator 等方面的控制。 可用于半导体加工、医疗器械、光通讯、化工环保等高技术领域。
利用铁电薄膜的极化反转特性,制备铁电厚膜存 储器
铁电存储器（FRAM）
DRAM
透明铁电陶瓷的极化反转特性在电光方面的应用
光开关 光调制 图象存储
利用铁电陶瓷的介电非线性，制备微波调制器件
360 Lf c
rh rl
铁电移相器
相列控阵天线
Ferroelectric (Paraelectric) Phase Shifters.
Physical Properties of Crystals
Polar tensor properties
Tensors Matrices Symmetry Structure-property relationships The first group of properties: Pyroelectricity Permittivity Piezoelectricity Elasticity Specific heat Thermal expansion The Heckmann Diagram relating mechanical, electrical, and thermal variables
Cross-coupled transport phenomena
The fourth group of properties: Ferroics
Nine types of primary and secondary ferroics involving domain wall motion.
利用铁电陶瓷高介电常数制造高比容多层陶瓷电 容器
The second group of properties: Axial tensor properties
Magnetic properties are coupled to thermal, electrical, and mechanical effects through axial tensor relationships.
唐子龙，岳振星
清华大学材料学院
课程内容
一、介电材料的基本物理性质-电介质物理基础（极化、色散、 弛豫及等效电路） 二、空间坐标变换及张量-压电体的物理性质（坐标变换、张量、 晶体对称原理及压电矩阵、压电方程） 三 、压电换能与机电类比（机电谐振、等效模型及压电特性） 四 、铁电体特性及材料（铁电性、铁电体、铁电陶瓷及应用） 五、非线性现象与铁性晶体 六、
E-scan Antenna utilizing phase shifters
电调谐微波器件－调谐滤波器和双工器
铁电/超导调制滤波器－利用高温超导陶瓷的低表面电阻制 备高Q值微波调控器件
利用电阻非线性制造敏感元件
离子导电陶瓷－固态氧化物燃料电池
高温超导线材
超导材料：BSCCO-2223
YBCO-123
导电陶瓷－电子导电陶瓷、离子导电陶瓷、质质导电陶瓷、混合导电陶瓷等 超导陶瓷－高温超导陶瓷 磁性陶瓷－铁氧体陶瓷－软磁、硬磁、旋磁铁氧体等 生物陶瓷－生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等
• 直接效应－电学、力学、磁学、热力学、化学、生物 • 耦合效应－机电、热电、光电、磁电耦合
电荷 电流 电场 磁场 应力 热 光 电导率 磁－电效应 压电效应 热电效应 光电效应 磁化强度 电－磁效应 磁导率 压磁效应 － － 应变 逆压电效应 磁致伸缩 弹性常数 热膨胀 光致伸缩 温度 电卡（热）效应 磁卡（热）效应 － 比热 － 光 电光效应 磁光效应 光弹效应 － 折射率
超导滤波器在移动通信基站中获得应用
超导滤波器子系统
低损耗、带边陡峭、宽带
Microwave non-reciprocal passive components: circulator
功能陶瓷主要分类：
电介质陶瓷－绝缘陶瓷、电容器介质陶瓷、微波介质陶瓷、低温共烧陶瓷等 铁电陶瓷－高介介电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、弛豫铁电陶瓷、反铁电陶瓷等 压电陶瓷－一元系、二元系、三元系压电陶瓷，无铅压电陶瓷、电致伸缩陶瓷等 半导体陶瓷－PTC热敏陶瓷、NTC热敏陶瓷、气敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、光敏 陶瓷等
The third group of properties: Transport properties
Piezoresistivity, Hall effect Related to the movement of charge, heat, and mater. Electrical conductivity Thermal conductivity Diffusion
多层陶瓷电容器－－电学并联
n 2 0 r S C d
X7R1210
利用微波介质陶瓷制备微波器件 介质波导 谐振器件
微波天线
微波滤波器
介质基片
介质电容器
新型压电驱动器及超声波电机 Piezoelectric Motor / Ultrasonicwenku.baidu.comMotor
摇头压电电机
热释电效应
参考书目
电介质物理学, 殷之文主编
铁电物理学, 钟维烈著 压电铁电物理,王春雷等编著 材料性能-各向异性,对称性与结构
(Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure), R. E. Newnham
功能陶瓷的主要物理性能与效应
老化 aging/疲劳 fatigue
压电陶瓷材料部分
压电本构关系--压电方程组 材料参量(介电、弹性、压电)之间的关系 振动模式和机电转换
物理性能的各项异性 新型元件性能分析
铁电材料部分
基本物理现象 热力学理论
微观机制 软模概念
结构相变
铁电体|自发极化
器件应用
介电响应 畴结构和极化 反转过程
Relationship of dielectrics
Dielectrics Piezoelectrics
Pyroelectrics
Ferroelectrics
Piezoelectric ceramics
传统电介质物理
四大问题： 极化 polarization 损耗 loss 弛豫 relaxation 击穿 breakdown
大功率压电陶瓷器件：
汽车共轨燃喷系统用多层压电陶瓷驱动器
欧洲约40%的汽车发动机燃用柴油, 为压电陶瓷 驱动器开辟了新的市场, 1亿只/年!
研发高d33、Tc压电陶瓷
Piezoelectric Energy Harvesting 压电能量收集系统
Environmental Energy Harvesting
中空压电电机
二维微动台
超声电机驱动系统
微型压电电机
行波压电电机
直线 压电驱动器
中空压电电机
单向压电电机
可用于 汽车反光镜car reflecting mirror、方向盘car steering wheel 、座椅头靠 seat regulator、车门玻璃升降装置window regulator 等方面的控制。 可用于半导体加工、医疗器械、光通讯、化工环保等高技术领域。
利用铁电薄膜的极化反转特性,制备铁电厚膜存 储器
铁电存储器（FRAM）
DRAM
透明铁电陶瓷的极化反转特性在电光方面的应用
光开关 光调制 图象存储
利用铁电陶瓷的介电非线性，制备微波调制器件
360 Lf c
rh rl
铁电移相器
相列控阵天线
Ferroelectric (Paraelectric) Phase Shifters.
Physical Properties of Crystals
Polar tensor properties
Tensors Matrices Symmetry Structure-property relationships The first group of properties: Pyroelectricity Permittivity Piezoelectricity Elasticity Specific heat Thermal expansion The Heckmann Diagram relating mechanical, electrical, and thermal variables
Cross-coupled transport phenomena
The fourth group of properties: Ferroics
Nine types of primary and secondary ferroics involving domain wall motion.
利用铁电陶瓷高介电常数制造高比容多层陶瓷电 容器
The second group of properties: Axial tensor properties
Magnetic properties are coupled to thermal, electrical, and mechanical effects through axial tensor relationships.