材料的压电性能和铁电性能比较
压电、热释电与铁电材料
关于BaTiO3铁电性的起因人们曾提出过多种 微观模型。其中比较突出的有： 钛离子多个平衡位置的自发极化理论，认 为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多 个平衡位置，在温度低于居里点时，钛离 子占据某个平衡位置几率大得多，因而出 现自发极化；
钛--氧离子之间的强耦合理论，认为自发 极化的产生是由于钛--氧离子之间存在着 很强的相互作用场所致； 此外换有氧离子位移的自发极化理论；振 动电子理论；价键性质转变理论（认为共 价性增强，离子性减弱）等。 这些理论各有其不足和成功之处，本节不 在一一介绍。
下图是180畴壁和90畴壁
钛酸钡畴结构
反铁电体
反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同 型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向 产生自发极化，净自发极化强度为零，不 存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数 （或极化率）与温度的关系为：在相变温 度以下，介电常数很小，一般数量级为10102；在相变温度时，介电常数出现峰值， 一般数量级为几千。在相变温度以上，介 电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
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
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位 移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的 x射线衍射和中子衍射实验表明，当BaTiO3 的结构从立方相转变到四方相时，Ti、O等 离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
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。
磁致伸缩（效应）：铁磁物质收缩时，沿磁化方向发生长度伸长或缩短的现象称为~~自发体积磁致伸缩：最大磁能积：第十章材料的电学性能电导率：为电阻率的倒数超导临界转变温度：材料由正常状态转变为超导状态的温度超导临界磁场强度：能破环超导态的最小磁场强度超导临界电流密度：输入电流所产生的磁场一外磁场之和超过临界磁场，超导呗破坏。
铁电材料的应用及其性质
铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料，可以在外加电场的作用下产生极化效应，其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能：铁电材料表现出极化现象，它们能够在电场的作用下，在晶体中产生电偶极矩，同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的，离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后，可以得到电信号的输出。
2.压电性能：铁电材料具有压电性能，亦即当外力作用于铁电材料时，晶体结构会产生变化，而反过来当外加电场作用于铁电晶体时，也能感受到压力的变化。
其作用的原理是，当材料受到外力的作用时，内部离子的晶格结构也会产生变形，从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能：一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时，就会产生电荷，从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器，甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能：铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现，可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器：由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快，它们可用于电容器中，主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器：由于铁电材料的压电特性，它们可以被用于制作各种类型的传感器，如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器：由于铁电材料的压电特性和极化性能，它们可用于制造各种类型的振动器，如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件：铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率，而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器：铁电材料的极化状态可以长时间维持，因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码，从而实现信息存储和检索。
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
第三章 压电、热释电与铁电材料
阻 抗
谐振
fm1
fn1
频率 f
LOGO
＊2
（1）
晶体振荡电路
石英晶体的谐振特性与等效电路
石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件, 其结构和外形如图7.12 所示。 石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切 下的薄片, 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接
各个能量的含义： 1 E U mm Sij TiT j；机械能密度。 2 1 T U ee mn Em En；介电能密度。 2 1 U me d mj EiT j；机械 -电相互作用能密度。 2
LOGO
工程技术上的含义： 机械能转变的电能 正压电效应：K 输入的机械能 电能转变的机械能 2 逆压电效应：K 输入的电能
Tj
- hmj Dm
压电刚度常数
C Si
开路弹性劲度常数
D ji
负号的含义
允许极化时，造成同等应变需要的应力降低
LOGO
正压电效应：D dT 逆压电效应：S [ d ] E
T
T
TE
S T
E
正压电效应：D eS 正压电效应：E - gT 逆压电效应：S [ g ] D
各向异性的情形： D1 11 E1 12 E2 13 E3 D2 21 E1 22 E2 23 E3 D3 31 E1 32 E2 33 E3
D1 11 12 D2 21 22 D 3 31 32
LOGO
（3）压电效应产生的条件
晶体结构没有对称中心。 压电体是电介质。 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体 是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究铁电、压电和热电纳米材料近年来在催化研究领域引起了广泛关注。
这些材料具有特殊的结构和性质，对催化反应具有重要作用。
本文将对铁电、压电和热电纳米材料的催化性能进行简要介绍，并分析其应用前景。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，其具有正负两个永久电偶极矩的材料。
研究表明，铁电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
铁电材料的催化性能主要归因于其特殊的电荷分布和表面性质。
例如，铁电材料可以通过调节电荷重排来改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，铁电材料还可以通过外加电场和应力来调控其催化性能。
因此，铁电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
压电材料是一类具有压电效应的材料，其具有在外力作用下产生电荷分离的特性。
研究表明，压电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
压电材料的催化性能主要归因于其特殊的结构和电荷分布。
例如，压电材料的晶格变形可以改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，压电材料还可以通过外加电压来调控其催化性能。
因此，压电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
热电材料是一类具有热电效应的材料，其具有在温度梯度下产生电荷分离的特性。
研究表明，热电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
热电材料的催化性能主要归因于其特殊的热导率和电子结构。
例如，热电材料的热导率可以影响催化反应的热量传递和分子扩散，从而调控反应速率。
此外，热电材料的电子结构可以影响催化活性位点的结合能和反应中间体的稳定性，从而影响反应选择性。
因此，热电材料已被广泛应用于热催化和光催化等领域。
目前，铁电、压电和热电纳米材料在催化研究中的应用还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，一些研究发现，通过调控铁电、压电和热电纳米材料的晶格结构和表面性质，可以实现催化活性位点的精确定位和调控。
钛酸钡和钛酸铋
钛酸钡（BaTiO3）和钛酸铋（Bi2TiO5）都是常见的铁电材料，它们在电子陶瓷、PTC热敏电阻、电容器等领域有着广泛的应用。
这两种材料都具有铁电性和压电性，但它们的性能和应用有所差异。
1. 钛酸钡（BaTiO3）：
- 铁电性能：钛酸钡是一种典型的铁电材料，具有良好的介电性能和铁电性能。
- 应用：由于其优异的介电性能，钛酸钡被广泛应用于多层陶瓷电容器（MLCCs）、热敏电阻、压电陶瓷等领域。
- 稳定性：钛酸钡在高温下的稳定性相对较好，这使得它在高温环境下的应用中具有优势。
2. 钛酸铋（Bi2TiO5）：
- 铁电性能：钛酸铋也是一种铁电材料，但相比钛酸钡，它的铁电性能较低。
- 应用：钛酸铋通常用于制备层状结构材料，如复合氧化物，这些材料在高温环境下的电性能更为稳定。
- 稳定性：钛酸铋在高温下的稳定性较差，因此在高温应用中可能需要与其他材料结合使用。
钛酸钡和钛酸铋都是重要的铁电材料，它们在电子元器件和陶瓷材料中扮演着重要角色。
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。
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体都是电子材料种类之一，它们在电子领域和工业
领域中有着广泛的应用，是电子材料中的重要种类。
下面我们来了解一下这些电子材料之
间的关系。
铁电体：铁电体是具有铁电性的晶体材料，铁电性是材料自身结构的一个特性，即当
材料暴露在电场中时，会发生电偶极矩的取向变化。
这个特性使得铁电体在电子产品中有
非常广泛的应用，比如它可以用作电容器、震荡器、传感器、存储器等，这些器件在电子
产品中起到重要的作用。
热释电体：热释电体是一种能够将温度变化转化为电能的材料，也叫做热电材料。
热
释电体使用的原理是通过热电效应将热能转化为电能，这个效应是指材料在温度差异作用
下会产生电势差。
热释电体具有良好的稳定性和性能，可以应用于如温度测量、温差发电、制冷等领域。
介电体：介电体是一种在电场作用下不会导电的材料，介电体在电子器件中有广泛的
应用，比如用作电容器、滤波器、隔离器、保险丝等。
由于介电体具有较高的绝缘性能，
它可以防止电信号的干扰和噪声，可以使电子器件的性能更加稳定。
尽管以上这些电子材料在应用领域不同，但它们之间有着一些共同的特性，比如它们
都是晶体材料，都可以产生电势差并转化为电能，它们都可以在电子领域中应用，有着一
定的互相联系。
当然，它们也存在一些区别，这主要体现在各自使用效应的不同点上。
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
材料的压电性与铁电性能.ppt
•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今：
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的 作用下，产生极化。
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++
释放电荷
－－－－－－－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）即：
D ijE
不同机械条件时，测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
②相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中：ω为交变电场的角频率； C为介质电容； R为损耗电阻；
第八章 材料压电性和铁电性
第八章 材料压电性和铁电性
P117 3.4~3.5节
一、压电效应
• 电介质在电场的作用下，可以使其带电粒子相对 位移而发生极化。某些电介质晶体也可以通过纯 粹的机械作用而发生极化，并导致介质两端表面 出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成 比例。 • 这种机械力激起晶体表面荷电的效应称为压电效 应。材料的这种性质称为压电性。
• 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”。
• 七、压电与铁电材料及其应用
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”。（其实这移理 论） • 五、铁电体中电畴的形成与发展 • 六、介电材料的关系
铁电材料和压电材料的制备和应用
铁电材料和压电材料的制备和应用铁电材料和压电材料是一类极具应用前景的功能材料。
铁电材料可以在外加电场下呈现出独特的电极化性质，而压电材料则可以在外加压力下呈现出独特的电荷分布。
因此，这两种材料不仅在电器领域有广泛的应用，还在光电子学、医疗、生物等领域具有潜在的应用价值。
本文将从铁电材料和压电材料的制备和应用两个方面进行探讨。
一、铁电材料的制备铁电材料在电器领域中具有广泛的应用价值，如传感器、存储材料、场效应管等。
一般而言，铁电材料含有钙钛矿结构，其中钙和钛在晶体中呈现出不同的价态，因此具有极性。
为了制备具有优良铁电性能的材料，需要注意以下几点：1、选择适当的基质材料：钙钛矿结构的铁电材料需要与其他元素形成晶体结构，这个过程中可以加入稀土元素、碱金属元素、过渡金属元素等。
选择不同的元素可以对材料的铁电性能和晶体结构产生影响，因此需要结合具体应用需求选择适当的基质材料。
2、优化材料生长条件：材料生长条件对材料的晶体结构和铁电性能影响很大，因此需要进行适当的优化。
一般而言，可以通过控制生长温度、氧分压、生长速度等条件来获得具有优良铁电性能的材料。
3、表面处理：铁电材料在制备过程中容易受到表面缺陷和氧化等因素的干扰，因此需要进行表面处理。
表面处理可以包括化学处理、等离子体处理、超声波清洗等。
表面处理可以减少杂质的存在，在一定程度上提高了材料的性能。
二、铁电材料的应用铁电材料在传感器、储存器、场效应管等领域中具有广泛的应用。
这些应用可以通过对材料的电极化性质进行调控来实现。
以下是铁电材料在不同领域的应用：1、传感器：铁电材料在传感器领域中具有广泛的应用，例如，在生物传感器中，铁电材料可以通过将生物分子与其结合，实现生物检测的目的。
2、储存器：铁电材料可以用于制造非易失性随机存取存储器（NVRA），这种存储器可以在断电的情况下保存数据，具有快速读取速度和低功耗的特点。
3、场效应管：铁电材料可以用于制造场效应管，这种管可以在电场的作用下调控电流，在集成电路中具有重要的应用价值。
材料性能学第十二章 材料的压电性能与铁电性能
为什么用实验方法很难发现具有自发极化的晶 体所带电荷
因为自发极化建立的电场吸引了晶体内部和外 部空间的异号自由电荷，在晶体表面形成一个 表面电荷层，结果自发极化建立的表面束缚电 荷被吸引来的表面自由电荷所屏蔽．但是，改 变温度或者施加应力产生变形时，由于离子间 距和键角发生变化，自发极化强度Ps也将发生 变化。这时被自发极化束缚在表面的自由电荷 层就有一部分可以恢复自由而释放出来，使晶 体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流。 这就是热释电效应和压电效应．
铁电体的特性
✓电滞回线
✓居里点
✓具有临界特性
电滞回线
✓ 铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作 用下运动的宏观描述
✓ 反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但 在很强的外电场作用下，可以诱导成铁 电相，其P－E呈双电滞回线。
居里温度
由热力学定律可知，压电晶体的Gibbs自由能可 表达为
G=U-TS-TiSi-EiPi 式中：G为Gibbs自由能；U为内能；T为绝对温 度；S为熵;Ti为应力;Si为应变;Ei为电场强度；Pi 为极化强度．若不施加应力时，则有
压电效应机理示意图
压电性能的主要参数(自学)
介电常数 介质损耗 弹性系数 压电常数 机械品质因素 机电耦合系数
压电材料及其应用
上世纪自40年代中期出现了BaTiO3陶瓷以 后，压电陶瓷的发展较快。两个分支：一是 晶体和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子 聚合物）。 有钛酸钡 、钛酸铅 、锆酸铅 、锆钛酸铅 、 其它压电陶瓷材料
2．热释电性能表征 热释电效应的强弱可用热释电系数
来表示．
P pT
P为热释电系数，单位 为C·cm-2·K-1
热释电系数的种类
当晶体处于夹持状态时，由于晶体受热其尺寸和形 状不变，所以，称这种状态下的热释电系数为恒应变 热释电系数或一级热释电系数pS．
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
温度对电滞回线 的影响
BaTiO3的电 滞回线
2. 铁电陶瓷的结构、性能与应用
（1）结构
钙钛矿结构 钨青铜结构 铋层状结构 焦绿石结构 钛铁矿结构
• •
共同特点: 含氧八面体 自发极化的起因: 氧八面 体中心离子的相对位移
•
属位移型铁电体
（2）制备工艺
铁电陶瓷的制备工艺流程： 粉体合成－细化－成型－烧结－被覆电极－性能测试 粉体合成： 固态反应法（solid state reaction） 共沉淀法 (coprecipitation) 溶胶－凝胶法 (sol-gel process)
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
铁电体 (Ferroelectrics) :
Ps（必要条件） E Ps 重新定向
电光器件－利用电光效应，透明PLZT陶瓷（PLZT 9/65/35)
压电器件－利用压电和电致伸缩效应，PZT, PMN-PT
§6.2 压电性能
Piezoelectricity
一、压电效应 二、压电振子及其参数 三、压电陶瓷的预极化
四、压电材料及其应用
一、压电效应 1. 压电效应
1880年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)发现的。 晶体的压电效应是应力和应变等机械量与电场强度和 电位移（或极化强度）等电学量之间的耦合效应。
(a)
(b)
(c)
(d)
180畴翻转示意图 (a)成核，(b)和(c)纵向长大，(d) 横向长大
电介质材料(压电与铁电材料1)
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电陶瓷的特点是： 压电常数大，灵敏度高； 制造工艺成熟，可通过 合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性 能；成形工艺性也好， 成本低廉，利于广泛应 用。 压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热 电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给 压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感 器，压电陶瓷的应用受到限制。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料 Dielectric Materials
（piezoelectric material ）
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电 介电 铁电关系
压电介电铁电关系压电、介电和铁电是固体材料中常见的物理现象，它们都与电场和晶格结构有关。
本文将分别介绍压电、介电和铁电的基本概念和特性，并阐述它们之间的关系。
一、压电压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分离现象，即在晶体的两个相对表面产生正负电荷的分布。
这种现象可归因于晶体中的离子或分子在受到外力作用后产生位移，从而改变了电荷分布。
常见的压电材料有石英、硅酸锂等。
压电效应可用于制造压电传感器、压电陶瓷和压电驱动器等。
例如，压电传感器可以将压力或力转化为电信号，广泛应用于压力测量和控制领域。
此外，压电材料还可用于声波发生器、超声波探测器等设备中。
二、介电介电是指非导电材料在电场作用下发生的极化现象。
在外加电场的作用下，介电材料中的正负电荷会分离并沿电场方向重新排列，产生极化现象。
常见的介电材料有氧化铝、二氧化硅等。
介电材料具有良好的绝缘性能和电容性能，可用于制造电容器、绝缘材料和介电体等。
例如，电容器中的介电层可作为电容储存电荷，起到分隔正负电荷的作用。
此外，介电材料还广泛应用于电子元件、电力系统和通信设备等领域。
三、铁电铁电是一种特殊的介电材料，具有自发极化现象。
与普通介电材料不同，铁电材料在外加电场的作用下，除了会发生极化现象外，还存在两种不同的极化状态，即正向极化和反向极化。
常见的铁电材料有氧化锆钛、钛酸锶等。
铁电材料具有独特的电学性能和非线性光学性能，可用于制造铁电存储器、铁电电容器和铁电传感器等。
铁电存储器具有高密度、快速读写和非易失性等优点，被广泛应用于信息存储领域。
此外，铁电材料还可用于制造超声波发生器、声光调制器等设备。
压电、介电和铁电是固体材料中常见的物理现象，它们在电场和晶格结构的作用下表现出不同的特性。
压电材料在受力作用下产生电荷分离现象，介电材料在电场作用下发生极化现象，而铁电材料则具有自发极化现象并存在两种不同的极化状态。
这三种现象的研究和应用对于开发新型材料和优化电子器件具有重要意义。
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K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
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。
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
材料的压电性能和铁电性能比较
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
材料的压电性能和铁电性能比较
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
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 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
材料的压电性能和铁电性能比较
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。
第一节
(5) 特征频率的含义
压电性能
材料的压电性能和铁电性能比较
第一节 压电性能
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
材料的压电性能和铁电性能比较
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）
材料的压电性能和铁电性能比较
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
材料的压电性能和铁电性能比较
• 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。
材料的压电性能和铁电性能比较
材料的压电性能和铁电性能比较
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：
谐振时振子储存能 的机械
Qm 2每一谐振周期振耗 子的 所机 消械能
Qm2frR(C0fC a21)(fa2fr2)
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
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
材料的压电性能和铁电性能比较
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
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，从而引出了
压电方程。常见的压电常数有四种：dij、gij、
eij、 hij。
材料的压电性能和铁电性能比较
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：
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
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。
材料的压电性能和铁电性能比较
•
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
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
材料的压电性能和铁电性能比较
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
材料的压电性能和铁电性能比较
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
材料的压电性能和铁电性能比较