4-2陶瓷的铁电性与铁电陶瓷教程
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之四
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之四铁电陶瓷材料,是指具有铁电效应的一类功能性陶瓷材料,它是热释电材料的一个分支。
可用于大容量的电容器、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,可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性,可制作红外探测器等。
也用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
广泛应用于航天、军工、新能源产品。
这里介绍,主要是参考它的加工工艺,比如为固体电解质的加工提供一定的参考。
另一方面是顺便了解一下这特种陶瓷的用途。
室温研磨法固相反应制备铁电陶瓷粉末铁电陶瓷(Ferroelectric ceramics)是主晶相为铁电体的陶瓷材料,具有高的直流电阻率、相对低的电介质损耗角正切(0.1%~7%)、中等介电击穿强度(100~120kV/cm)以及非线性的电、机电、电光学特性,与普通绝缘材料(5~100)相比具有高的介电常数(200—10000)。
铁电陶瓷的优良性能使其广泛应用于工业和商业中,如高介电常数电容器、压电声纳和超声传感器、无线电和信息过滤器、热释电装置、医疗诊断传感器、正温度系数(PTC)传感器、超声马达和电光光阀等。
铁电陶瓷中存在孔隙时会使损耗角正切增大,且一些特殊应用如压电传感器和致动器的机械强度直接与材料的密度有关,因此很多应用中都需要全致密的铁电陶瓷(理论密度>95%)以获得最佳的性能。
铁电陶瓷的密度通常随烧结温度的升高而增大。
然而,含铅、铋铁电材料的烧结温度不宜过高,因为铅、铋易挥发,而且高温也会导致晶粒反常长大,损害铁电陶瓷的性能。
而目前主要使用细或超细粉末及辅助烧结来降低铁电陶瓷的烧结温度。
因此,制备致密且晶粒大小适当的铁电陶瓷尤其重要,探讨新的铁电陶瓷粉末的制备方法具有重要意义。
铁电陶瓷粉末的制备方法A:常规制备方法材料的性能与其加工方法密切相关,故铁电陶瓷粉末的合成方法对铁电陶瓷的显微结构、电学和光学性能有很大影响。
对氧化物原料进行固态反应可合成铁电陶瓷粉末,但由于晶粒相对粗大,因而需要较高的烧结温度来获得目标成分和预期性能的铁电陶瓷。
功能陶瓷之二
之 铁 电 陶 瓷
学 院:材料科学与工程 授 课 人:王东斌
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 而且极化强度可以随外电场反向而反向。 有磁滞回线一样,把具有电滞回线的晶体称为铁电体。 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,但这些晶体并不含有铁。 虽然叫铁电体,但这些晶体并不含有铁。
90° 90°
180° 180°
压电陶瓷为多晶体
☆ 居里点
铁电体的自发极化在一定温度范围内呈现, 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( ),铁电晶体从铁电相 一临界温度Tc时,自发极化小时(P=0),铁电晶体从铁电相 Tc 转变为非铁电相(又称顺电相),这一临界温度称为居里温度 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)。 居里点)。
这是由于畴壁的运动, 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 当频率升高时,由于反转运动更频繁, 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Ti 相等,半径与其相近时, 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BaTiO 形成置换固溶体,这叫置换改性。 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Ba 的有:Ca、Sr、Pb等 置换Ti 的有Zr Zr等 常置换Ba2+的有:Ca、Sr、Pb等;置换Ti4+的有Zr等。
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。
铁电陶瓷材料工艺
样品的制备及测试仪器(钛酸锶钡)本实验采用传统的固相反应法制备铁电陶瓷材料,具体工艺流程如下:1 原料选择与处理实验所用的原料纯度和特性如下表所示。
其中BaCO3、TiO2在配方中所占的比例较大,Na2CO3吸湿性较强,为保证化学计量比精确,称量前将这些粉料应先放在烘箱中烘干。
表2-1 原料的相关特性这些原料有如下特性[29][30]在1450 ℃时,BaCO3分解为BaO,CO2,在TiO2参与下,BaCO3在650 ℃时就开始分解,至1020 -1060℃时分解结束。
TiO2俗称钛白粉,是细分散的白色到浅黄色粉末,它有三种晶型:四方晶系(650℃以下)、斜方晶系(650-915℃)、三方晶系(915℃以上)。
Na2CO3俗称苏打、纯碱,稳定性较强,在高温下分解成氧化钠和二氧化碳。
本实验反应方程式为:2x )1(x )1(325223CO )21(Nb Ti Na Ba CO Na 2O Nb 2TiO )1(BaCO )1(xx x x x x x -+→++-+--- (2-1)2.配料按化学计量式计算出配方中的各个物质所需的质量,再用德国A210P 电子天平仪(精度为0.1mg)称量原料。
先称量量较多的BaCO 3,再称量微量原料Na 2CO 3和Nb 2O 5,最后称量量较多的TiO 2,按顺序依次加入球磨罐中。
这样,可以防止微量原料沾在罐壁或玛瑙球上,造成坯料混合不均匀,影响实验精确度。
3. 混合球磨采用XQM-L 变频行星球磨机进行混合球磨。
加入相当于总粉料质量60%的超纯水湿磨混合,这样分散性、均匀性都较好。
球磨机的转速为200转/分钟,球磨时间为4h4. 预 烧用蒸馏水将球磨后粉料洗出,放入干燥箱中烘干,并将烘干后的粉末放入玛瑙钵中研磨均匀,再倒入坩埚,压紧,置于预烧炉中,进行预烧,预烧气氛为空气。
预烧结束后粉末随炉温自然冷却。
依据主要原料的分解温度和相关文献的报道,以及烧结炉的条件,本实验的预烧温度设定为1050-1100℃,升温速率为200℃/h ,保温2小时。
功能陶瓷材料及应用铁电陶瓷篇(2)
G”P =
2G P 2
= g2 + 3g4P2 +5g6P4 + …
由上式即可得出电场 E 中的平衡极化强度。
18
当E = 0时,P → Ps,去高次项后,G’P可改写为: G’P = Ps (g2 + g4Ps2 + g6Ps4) = 0 Ps = 0 为上式的一个解, 对应于θ > θc, 晶体不存在自发极化的情形
16
7 铁电体的相变热力学
• Devonshire 把Landau的相变热力学理论推广应用到铁 电相变,序参量P
• 基本思路: (a) 将Gibbs自由能G(或弹性自由能G1)按P展开 G1= 1/2g2P2+1/4g4P4+1/6g6P6 (b) 相变平衡状态,G1取极小值 (c) 求解,并按指前项的符号分析G1随P的变化规律
1
2
Typical hysteresis loops from various ferroelectric ceramics
• (A) BaTiO3 capacitor • (B) soft PZT • (C) PLZT 8.6/65/35 • (D) PZST antiferroelectric
smaller grain size higher Ec • A high degree of loop squareness indicates better
homogeneity and uniformity of grain size
4
• Internal space charge/aging internal electric bias off-centered loop
若使括号内方程等于零,则:
铁电陶瓷材料的介电特性分析
铁电陶瓷材料的介电特性分析引言铁电陶瓷材料在现代科技领域发挥着重要作用。
它们具有独特的电学性质,被广泛应用于电子、通信、传感和储能等领域。
本文将对铁电陶瓷材料的介电特性进行深入分析,探讨其原理、性能以及应用前景。
第一部分:介电特性的原理铁电陶瓷材料的特殊性质来自于其中的铁电相。
铁电相是一种具有非线性介电特性的晶体结构,它能在外电场的作用下发生极化反转。
这种极化反转产生了瞬时的电输运,使得铁电材料具有介电性能。
第二部分:介电特性的性能1. 饱和极化:铁电陶瓷材料的饱和极化是指在极化电场达到一定程度后,材料的极化保持不变。
这是材料极化反转所能达到的最大程度。
饱和极化与材料的晶体结构有关,不同的晶体结构会影响饱和极化的大小和稳定性。
2. 介电常数:介电常数是表示材料对电场响应的能力的物理量。
铁电陶瓷材料的介电常数较高,可达到几百或几千,远大于一般材料的介电常数。
这使得铁电陶瓷材料在电容器、传感器等电子器件中有着广泛的应用。
3. 介电损耗:介电损耗是材料在外电场作用下发生能量损耗的程度。
铁电陶瓷材料的介电损耗较低,这使得它们在高频电子元器件中具有更好的性能,能够减少能量转化的损失。
第三部分:应用前景铁电陶瓷材料的介电特性使得它们在多个领域有着广泛应用的潜力。
1. 电子器件:铁电陶瓷材料可以用于制造电容器、电感器、传感器等电子器件。
这些器件在电子设备中发挥着重要作用,如存储器、振荡器、滤波器等。
2. 通信技术:铁电陶瓷材料的高介电常数和低介电损耗使其在无线通信领域有着广泛应用的前景。
它们可以用来制造各种储备器件,以提高通信系统的性能和稳定性。
3. 能量储存:铁电陶瓷材料的介电特性为能量储存提供了更好的选择。
它们可以应用于超级电容器、储能电池等领域,以提供高效、可靠的能量储存解决方案。
结论铁电陶瓷材料的介电特性是其在科技领域中得以广泛应用的重要基础。
通过对铁电陶瓷材料的介电特性进行深入分析,我们可以更好地理解其原理、性能和应用前景。
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]。
高居里点,宽居里温区bzt铁电陶瓷材料的制备方法
高居里点,宽居里温区bzt铁电陶瓷材料的制备方法下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成,希望大家下载以后,能够帮助大家解决实际的问题。
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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。
草酸盐沉淀法制备铁电陶瓷
草酸盐沉淀法制备铁电陶瓷介绍铁电陶瓷是一种具有特殊电学性质的陶瓷材料。
草酸盐沉淀法是一种常用的制备铁电陶瓷的方法。
本文将详细介绍草酸盐沉淀法制备铁电陶瓷的原理、步骤以及影响制备过程的参数。
一、原理铁电陶瓷是指具有铁电性质的陶瓷材料。
铁电性质是指材料在外加电场作用下会发生极化现象,且该极化可以被改变或保持在无外场时的状态。
草酸盐沉淀法是一种通过沉淀反应制备铁电陶瓷的方法。
该方法的基本原理是通过调节溶液中的反应条件,使得钙源、镁源与草酸盐反应生成草酸盐沉淀颗粒,进而得到铁电陶瓷材料。
二、步骤草酸盐沉淀法制备铁电陶瓷的步骤如下:1.准备草酸盐溶液:按照一定的摩尔比例,将钙源和镁源分别溶解于适量的溶剂中,得到两种草酸盐溶液。
2.注入溶剂:将上述两种草酸盐溶液以一定的比例缓慢注入同一个容器中。
3.搅拌溶液:使用搅拌器将溶液进行充分混合,并保持一定的搅拌速度。
4.pH调节:通过添加一定量的酸或碱来调节溶液的pH值,一般控制在7-9之间。
5.沉淀形成:在溶液的搅拌过程中,草酸盐溶液中的钙离子和镁离子会发生反应形成草酸盐沉淀。
6.沉淀分离:将草酸盐沉淀通过离心或过滤等方法从溶液中分离出来。
7.洗涤沉淀:将沉淀用去离子水进行多次洗涤,以去除残留的杂质。
8.干燥沉淀:将洗涤后的沉淀样品放置在干燥器中进行脱水和干燥处理。
9.烧结:将干燥后的样品置于高温炉中进行烧结,使得草酸盐沉淀转变为具有铁电性质的陶瓷材料。
三、参数影响草酸盐沉淀法制备铁电陶瓷的过程中,有几个重要的参数会对制备过程和最终产品的性质产生影响。
1. 摩尔比例草酸盐沉淀法中,草酸盐溶液的摩尔比例会影响草酸盐沉淀的成分和性质。
不同的摩尔比例会导致不同的反应路径和生成物。
2. pH值溶液的pH值对草酸盐沉淀的形成速率和沉淀物质的性质有重要影响。
pH值的改变可以调控溶液中金属离子的生成和沉淀过程的速率。
3. 搅拌速度搅拌速度会影响溶液中草酸盐离子的扩散和反应速度,进而影响沉淀物质的形态和分散性。
04.强介铁电陶瓷
§4-1 概述
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷 §4-3 强介铁电瓷的改性机理 §4-4 铁电陶瓷的老化与疲劳现象 §4-5 铁电陶瓷材料确定原则
§ 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
§ 4-1 概述
OD:电场为零,剩余极化Pr
OE:自发极化Ps OF:矫顽场Ec
P总=P感+Ps
铁电体的电滞回线
电滞回线的形成与电畴的反转有关
§ 4-1 概述
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。 畴壁(domain wall):畴的间界。 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。 居里温度(Curie temperature or Curie point): 铁电相变的温度。
本章着重介绍低频电容器介质用的铁电陶瓷。
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
§4-2-1 BaTiO3的结构与自发极化 §4-2-2 BaTiO3的介电性能
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
§4-2-1 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
BaTiO3的自发极化起因在于钛离子的位移
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
16 14 12 10 8 6 4 2 0
Ps×10 (C/cm )
2
转变点前后 T1 T2
-200 -150 -100 -50 T( C)
o
-6
Tc
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Ps=0
Ps (001)
(011) Ps
(111) Ps T< -90℃
三 角 三 晶 方 系
-90℃ <T<5 ℃
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
外加机械力的作用,将使BaTiO3的转变温度变化。 P
P
P
P
单晶 BaTiO3
Tc=TC0-5.71×10-8H
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
等静压的压缩力,有利于保留 小体积。体积膨胀型相变温度 升高,体积收缩型相变温度降 低。 120℃:四方→立方, V↓,Tc ↓ -90℃:三角→正交,V↑,T ↑ 0℃:正交→四方转变例外,V ↑T↓
BaTiO3单晶转变温度与等静压的关系
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
与单晶一样,压力增大, 居里温度降低
•利用铁电晶体的铁电效应实现数 据的存储:中心Ti4+的两个可能位 置保存“1”和“0”
•无电场作用下,可保持中心Ti4+ 位置不变,因此FRAM保存数据 不需要电压
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
(4) 电畴结构及其运动方式
A2 A3 B1
A1 A4
E=0
B2 E≠0
四方BaTiO3中的180°与90°畴壁
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
氧八面体空隙越大,中心阳离子半径越小,电价越高, 晶体越容易产生自发极化。 但并不是所有含氧八面体的晶体都会出现自发极化。 氧八面体以共顶方式连接构成氧-高价阳离子直线(B-OB)是非常重要的条件。 如金红石晶体中没有 Ti-O-Ti离子直线,极化无法产生 连锁反应向前扩展而形成电畴,故不能产生自发极化。
陶瓷中,由于晶粒取向不 同和杂质、晶界等的作用, 应力作用复杂,使转变温 度分散和偏离。 居里峰变宽。
BaTiO3陶瓷的ε与温度的关系
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
(3) 自发极化产生的原因 Ti4+ - O2- 间距大( 2.005A ),故氧八面体间隙大, Ti4+离子能在氧八面体中振动。 T>120℃,Ti4+处在各方几率相同(稳定地偏向某 一个氧离子的几率为零),对称性高,顺电相。 T<120℃,Ti4+由于热涨落,偏离一方,形成偶极 矩,按氧八面体三维方向相互传递,耦合,形成 自发极化的小区域,即电畴。 BaTiO3的自发极化起因在于钛离子的位移
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
BaTiO3在高于居里温度时为立方晶相,晶格常数为 4.01Å,r(O2-)=1.32 Å,r(Ti4+)=0.64 Å,钛-氧离子间距 为2.005 Å r(Ti4+)+ r(O2-)=1.96 Å,即晶格中氧八面体空 隙比钛离子大,钛离子就有向氧的六个方向位移的可能。 C以上, 但 在 120º 钛离子的热运动 能较大,钛离子 向六个氧移动的 几率相同。 C 以下,不足以克服钛 在 120º 氧相对位移所形成的内电场,从 而使得 Ti4+ 在新位置下固定下来, 产生自发极化。这种极化波及相 邻的晶格,即形成“电畴”。
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
(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。
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
(2) BaTiO3的相变 立 方 晶 系 T>120 ℃ 正 斜 交 方 晶 系 四 方 正 晶 方 系 5 ℃ <T<120 ℃
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BaTiO3单晶(单畴)的介电系数与温度的关系 (按四方晶系的a轴和c轴测量)
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
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 • 多畴:多种取向 转变点处峰值不如单晶尖锐: • 结构:多相体系 • 应力:导致Tc分散(居里区) Tc均为120℃,第二转变点: • 单晶:0 ℃ • 陶瓷:≈20 ℃
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
16 14 12 10 8 6 4 2 0
Ps×10 (C/cm )
-6
2
T2
-200 -150 -100 -50)
o
50
100
150
BaTiO3单晶的Ps与温度的关系
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
• 铁电存储技术早在1921年提出, 直到1993年美国Ramtron公司才成 功开发出4kB的FRAM产品
A:90°畴壁(6~10 nm) B:180°畴壁 (0.4 nm)
首尾连接
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
180 °畴畴壁薄,而90 °畴的畴壁厚。
180°畴不产生应力(因自发极化反平行,晶 体的形变是同一维)。 90°畴使晶体内部出 现应力。
在外电场的推动下,电畴会随外电场方向转 向运动。当外加电场足够强,电畴将尽可能 地统一到外电场一致的方向。
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
1、 BaTiO3的结构与自发极化 2、 BaTiO3的介电性能
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
1、 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
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
电畴的反转过程分为新畴成核、畴的纵向 长大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。
180°电畴的成核、纵向长大及横向扩张
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
2、BaTiO3的介电性能 (1) 介电常数ε与温度T的关系 • 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 • T>Tc,ε满足居里-外 斯定律 • 热滞现象,一级相变
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§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
CaTiO3为什么没有自发极化,BaTiO3有自发极化? CaTiO3的晶格常数为3.8Å,r(O2-)=1.32 Å,r(Ti4+)=0.64 Å,钛-氧离子间距为1.9Å<r(Ti4+)+ r(O2-)=1.96 Å,即晶 格中氧八面体空隙比钛离子小,钛离子位移后受到的恢 复力很大。故CaTiO3不会出现自发极化。