压电效应和介电效应
压电效应——精选推荐
压电效应科技名词定义中文名称：压电效应英文名称：piezoelectric effect定义1：在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。
与压电效应同时还能发生电致伸缩。
所属学科：电力(一级学科)；通论(二级学科)定义2：不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。
所属学科：机械工程(一级学科)；工业自动化仪表与系统(二级学科)；机械量测量仪表-机械量测量仪表一般名词(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片压电效应压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
目录英文名称压电效应分类压电效应历史与应用巧用打火机演示压电效应压电晶体压电高分子压电陶瓷--信息时代的新型材料压电陶瓷的应用压电效应应用及现状压电效应对对发电机原理的介绍英文名称压电效应分类压电效应历史与应用巧用打火机演示压电效应压电晶体压电高分子压电陶瓷--信息时代的新型材料压电陶瓷的应用压电效应应用及现状压电效应对对发电机原理的介绍展开压电效应英文名称Piezoelectric effect压电效应分类压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电陶瓷特性分析(一) 压电效应
压电陶瓷特性分析（一）压电效应压电效应是1880年由居里兄弟在α石英晶体上首先发现的。
它是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。
当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应[92]。
任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压电效应所产生的形变是有区别的。
电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，这是电致伸缩效应。
它所产生的形变与外电场的方向无关。
逆压电效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。
此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一样。
而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。
能产生压电效应的晶体叫压电晶体。
一类压电晶体是单晶，如石英(SiO2)，酒石酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC4H4O6⋅H2O)，锗酸铋(Bi12GeO20)等。
另一类压电晶体称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅[Pb(Zr x Ti rx)O3，代号PZT]，日本制成的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg１／３Ｎｂ２／３)O3加入PZT，代号PCM]，中国制成的锑锰锆钛酸铅[Pb(Mn1/2Sb2/3)O3加入PIT代号PMS]等。
电介质的极化压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各向同性电介质的介电性质是不同的。
chapter4压电效应
P (2) 1
T2
即：P1(2) d12T2
式中，P(2)1为晶片只受到y方向旳应力T2作用时， 在x方向产生旳极化强度分量，百分比系数d12称 为压电常数。
试验中还发觉当T1=T2时，存在P(2)1= -P(1)1， 由此可得 d11= -d12，即石英晶体旳压电常数d12 旳大小等于压电常数d11旳负值。
—石英晶体旳最大特点是： 性能稳定，频率温度系数低(可做到频率温度系数接近于零)， 在通讯技术中有广泛地应用。
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硅原子和氧原子在z平面上旳投影位置，以及因为 在x方向上受到压力或张力作用时，产生正压电效 应旳示意图 α－石英晶体(SiO2) 能产生压电效应，是与石英晶体 内部构造分不开旳。 构成α—石英晶体旳硅离子Si4+与氧离子O2-在垂直于 晶体z轴旳xy平面(或称为z平面)上旳投影位置。
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1. 压电效应旳概念
可分为正压电效应和逆压电效应
某些介电体在机械力作用下发生 形变，使介电体内部正负电荷中 心相对位移而发生极化，以致晶 体两端表面出现符号相反旳束缚 电荷，其电荷密度与应力成正比。 这种由“压力”产生“电”旳现 象——称为正压电效应。
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假如将具有压电效应旳介电体 (压电晶体)置于外电场中，电 场作用使介电晶体内部正负电
具有对称中心旳晶体是非压电晶体。 假如具有对称中心旳晶体在某一方向
上存在电偶极矩，则根据对称中心旳 对称要求，也肯定存在大小相等、方 向相反旳电偶极矩。 如图，这些一对对大小相等、方向相 反旳电偶极矩彼此抵消，对总极化无 贡献。
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晶体旳任何形变也不能变化这个中心对称性质。所 以，凡具有对称中心旳晶体，肯定是非压电晶体。
同理，当晶体在x方向受到张力F作用时，晶体在x方向被拉
压电陶瓷的成型方法
压电陶瓷的成型方法
压电陶瓷是一种重要的功能陶瓷材料，具有压电效应和介电效应，广泛应用于传感器、振动器、滤波器、电子陶瓷等领域。
成型是制备压电陶瓷的关键步骤之一，本文将介绍几种常见的压电陶瓷成型方法。
1. 热压成型法
热压成型法是一种常见的压电陶瓷成型方法，其主要原理是将陶瓷粉末加热至一定温度，然后施加一定压力，使其在模具中形成所需形状。
该方法具有成型精度高、成型时间短、成型效率高等优点，广泛应用于制备压电陶瓷件。
2. 注浆成型法
注浆成型法是一种将粉末与粘结剂混合后，将混合物注入模具中，在高温下烘干成型的方法。
该方法具有成型精度高、成型效率高等优点，适用于制备大型、复杂形状的压电陶瓷。
3. 热等静压成型法
热等静压成型法是一种将陶瓷粉末加热至一定温度，然后施加一定压力，在高温下烧结成型的方法。
该方法具有成型精度高、成型效率高、成型强度高等优点，适用于制备高强度、高密度的压电陶瓷。
4. 凝胶注模成型法
凝胶注模成型法是一种将陶瓷粉末与溶液混合后，在模具中注入，通过凝胶化后的陶瓷凝胶在高温下烧结成型的方法。
该方法具有成型精度高、成型效率高、成型强度高等优点，适用于制备复杂形状的压电陶瓷。
5. 旋转成型法
旋转成型法是一种将陶瓷粉末加入到模具中，在高速旋转的模具内形成所需形状的方法。
该方法具有成型精度高、成型效率高、成型强度高等优点，适用于制备圆形、对称形状的压电陶瓷。
压电陶瓷的成型方法多种多样，选择合适的成型方法可以提高压电陶瓷的成型效率和质量，满足不同工业领域的需求。
压电效应
超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。
压电效应与反压电效应什么是压电效应？正压电效应与逆压电效应的区别？压电效应定义一：在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。
与压电效应同时还能发生电致伸缩。
压电效应定义二：不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。
什么是压电效应？压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
正压电效应与逆压电效应的区别？正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
第三章 材料的介电性能--内含精选动图详述
A、电容材料
提高击穿电压措施
1、加强冷却，提高热击穿电压； 2、 改善环境条件，防止高温，避免潮气﹑臭 氧等有害物质的侵蚀。
A、电容材料
II、传感器
C s
ε：介质介电常数 s ：极板面积 δ ：极板间距离
s
δ
ε
上式中，哪几个参量是变量？ 可以有几种传感器？
A、电容材料
II、传感器
变极距型(变间距型)电容传感器
B、压电材料----纳米发电机
1961年王中林出生于陕西省 蒲城县高阳镇，王中林的初 中和高中就是在这种大背景 下度过的，三分之一的时间 都在田里泡着，毕业于尧山 中学。
纳米发电机创始人 （王中林）
进入大学校门的第一天，他 就暗暗给自己定下一条标准， 本科每门课程不能低于90分。
B、压电材料----纳米发电机
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
在完全黑暗的环境中， 将一块干燥的冰糖用榔 头敲碎，可以看到冰糖 在破碎的一瞬间，发出 暗淡的蓝色闪光，这是 强电场放电所产生的闪 光，产生闪光的机理是 晶体的压电效应
2、介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化------压电效应
压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形 时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向 改变时，电荷极性也随着改变。
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
F
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电 介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加 电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
压电陶瓷特性实验报告
压电陶瓷特性实验报告压电陶瓷特性实验报告引言压电陶瓷是一种能够在外力作用下产生电荷的材料，具有广泛的应用领域。
本实验旨在研究压电陶瓷的特性，包括压电效应、介电特性和机械特性等方面。
通过实验，我们可以更深入地了解压电陶瓷的性能和应用潜力。
实验一：压电效应在这个实验中，我们使用了一块压电陶瓷片和一台压电仪器。
首先，我们将压电陶瓷片固定在仪器上，并施加一定的压力。
随后，我们观察到仪器上显示的电压值随着施加的压力而变化。
这说明压电陶瓷具有压电效应，即在外力作用下会产生电荷。
实验二：介电特性为了研究压电陶瓷的介电特性，我们使用了一台电容测试仪。
首先，我们将压电陶瓷片固定在测试仪上，并连接电源。
随后，我们通过改变电源的电压，观察到测试仪上显示的电容值的变化。
这表明压电陶瓷在电场作用下会发生介电极化，导致电容值的变化。
实验三：机械特性在这个实验中，我们使用了一台拉伸试验机。
我们将压电陶瓷片固定在试验机上，并施加一定的拉伸力。
通过改变施加的力大小，我们观察到压电陶瓷片的形变情况。
同时，我们还测量了形变量与施加力的关系。
结果显示，压电陶瓷具有良好的机械特性，能够在外力作用下发生可逆的形变。
实验四：应用潜力通过以上实验的结果，我们可以看出压电陶瓷具有多种特性，具备广泛的应用潜力。
例如，在传感器领域，压电陶瓷可以用于测量压力、温度和加速度等参数。
此外，在声学领域，压电陶瓷可以用于扬声器和麦克风等设备。
还有一些其他领域，如医疗、能源和通信等，也可以应用压电陶瓷技术。
结论通过本次实验，我们深入了解了压电陶瓷的特性。
压电效应、介电特性和机械特性是压电陶瓷的重要特性，为其在多个领域的应用提供了基础。
压电陶瓷的应用潜力巨大，可以为现代科技的发展做出重要贡献。
我们相信，在进一步研究和技术创新的推动下，压电陶瓷将在未来得到更广泛的应用。
压电陶瓷材料
压电陶瓷材料压电陶瓷材料是一种能够产生压电效应的材料，它具有压电效应和介电效应。
压电效应是指在材料受到外力作用时，会产生电荷分离，从而产生电压；而介电效应是指在外电场作用下，材料会发生极化现象。
因此，压电陶瓷材料具有很高的应变灵敏度和介电常数，广泛应用于传感器、换能器、滤波器、压电陶瓷换能器、压电陶瓷马达、压电陶瓷振动器等领域。
压电陶瓷材料的基本原理是通过应力-电压效应和电压-应变效应来实现能量的转换。
在应力-电压效应中，当外力作用于压电陶瓷材料时，材料内部的正负电荷会发生分离，从而产生电压；而在电压-应变效应中，当外加电压作用于材料时，材料会产生相应的应变。
这种能量转换的特性使得压电陶瓷材料在各种领域得到了广泛的应用。
在传感器方面，压电陶瓷材料可以将机械能转换为电能，从而实现对压力、力、加速度、振动等物理量的检测和测量。
在换能器方面，压电陶瓷材料可以将电能转换为机械能，用于声波的发射和接收。
在滤波器方面，压电陶瓷材料可以利用其介电效应来实现对特定频率信号的滤波。
在压电陶瓷换能器、马达、振动器等方面，压电陶瓷材料可以实现能量的高效转换和控制。
除了以上应用外，压电陶瓷材料还在医疗、汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。
在医疗领域，压电陶瓷材料可以用于超声波探测和治疗；在汽车领域，压电陶瓷材料可以用于汽车传感器、超声波清洗等；在航空航天领域，压电陶瓷材料可以用于飞机结构健康监测、声学阵列等方面。
总的来说，压电陶瓷材料具有很高的应变灵敏度和介电常数，能够实现能量的高效转换，广泛应用于传感器、换能器、滤波器、压电陶瓷换能器、压电陶瓷马达、压电陶瓷振动器等领域，同时在医疗、汽车、航空航天等领域也有着重要的应用。
随着科技的不断发展，相信压电陶瓷材料将会有更广阔的应用前景。
工程材料基础名词解释
工程材料基础总结晶体：构成原子或离子、分子在三维空间呈现出周期性规则堆积排列的固体称为晶体；呈现无规则排列的固体为非晶体。
单晶体和多晶体：一个晶体中的原子完全按照一种规则排列，且原子规则排列的空间取向完全一致，则该晶体为单晶体；如果在一个晶体中虽然原子排列的规则完全相同，但晶体中不同部分之间原子规则排列的空间取向存在明显的不同（将晶粒放大后会出现明暗不同区域），则称为多晶体。
晶粒和晶界：在多晶体中，一个原子规则排列空间取向相同的部分称为一个晶粒。
在一个晶粒中，不同部分的原子规则排列之间有时也存在很小的空间取向差，将晶粒内这些相互之间原子规则排列空间取向存在很小差别的部分称为亚晶粒。
晶粒与晶粒之间的分界面称为晶粒界，简称晶界。
晶体结构：晶体中原子或离子、分子具有各自特征的规则排列称为该晶体的晶体结构。
晶格：为研究方便起见，对于由原子或离子构成的金属和无机非金属而言，可将其构成原子或离子视为质点，将这些分布于三维空间的质点按一定的规则以直线相连便构成由质点和直线形成的三维空间格子，将其称为晶格或点阵。
晶格中质点所占据的位置称为晶格的结点或平衡位置。
晶胞：将按照一定规则从晶体中取出的能够完全反映晶体原子或离子排列规则的最小晶体单元称为晶胞。
晶格（胞）常数和晶胞致密度：分别以a、b、c表示晶胞平行于x、y、z坐标轴的边长，称之为晶格（胞）常数。
它反映了晶胞的大小。
将晶胞中原子所占据体积与晶胞整体体积之比称为该晶胞的致密度。
晶面和晶向：在晶格中，任意取至少三个原子便可构成一个平面，这种由原子构成的平面称为晶面，晶面原子密度：单位面积晶面上具有的原子个数；任意取至少两个原子便可构成一个晶体中的方向，将这种由一列原子构成的方向称为晶向，晶向原子密度：沿晶向单位长度上所含原子个数。
原子排列完全相同，仅仅是空间位向不同的晶面（晶向）称为一个晶面族（晶向族）。
晶体各向异性：沿晶体不同晶向性能不同的现象。
产生原因：晶体不同晶向上原子或分子等排列规律不同。
压电陶瓷极化与介电常数
压电陶瓷极化与介电常数压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应和介电效应。
压电效应是指在施加压力或拉伸力时，材料会产生电荷分离，从而产生电压；介电效应是指材料在电场作用下发生形变。
这两种效应使得压电陶瓷在许多领域有着广泛的应用。
压电陶瓷的极化是指将未极化的陶瓷材料通过特定的工艺进行极化处理，使其具有压电性能。
极化过程包括两个步骤：极化电场的建立和保持。
首先，在高温下将陶瓷材料放置在极化电场中，通过施加电压使其内部电偶极子发生定向排列，形成极化区域。
然后，将陶瓷材料冷却到室温，并保持极化电场，使得内部电偶极子保持定向排列。
经过极化处理后的压电陶瓷具有稳定的压电性能。
压电陶瓷的介电常数是指在电场作用下，材料的电容率。
压电陶瓷的介电常数可以通过外加电场下的电容测量得到。
压电陶瓷的介电常数是其电场极化能力的度量，也是材料在电场中的响应能力。
不同的压电陶瓷材料具有不同的介电常数，这也决定了它们在实际应用中的电性能。
压电陶瓷的极化和介电常数对于其应用具有重要意义。
首先，极化处理可以使压电陶瓷具有稳定的压电性能，使其在传感器、声波器件和驱动器件等领域得到广泛应用。
例如，在超声波传感器中，通过施加外加电场，压电陶瓷可以将机械振动转换为电信号，实现声波的检测和测量。
其次，介电常数决定了压电陶瓷在电场中的响应能力，对于电容器、电压传感器等电子元件具有重要作用。
例如，在电容器中，通过改变压电陶瓷的介电常数可以调整电容值，实现电路的功能控制。
除了极化和介电常数，压电陶瓷还具有其他重要特性。
例如，压电陶瓷具有高机械强度和稳定性，能够承受较大的压力和温度变化；同时，压电陶瓷还具有低热膨胀系数和良好的耐腐蚀性能，适用于各种恶劣环境下的应用。
压电陶瓷的极化和介电常数是决定其性能和应用的关键因素。
通过合理的极化处理和了解介电常数，可以实现压电陶瓷在传感器、声波器件、驱动器件和电子元件等领域的广泛应用。
随着科学技术的不断进步，压电陶瓷的应用前景将会更加广阔。
压电效应——百岁铁电的守护者
百岁铁电: 新材料、新应用专题压电效应—百岁铁电的守护者*李飞1)† 张树君2) 徐卓1)1) (西安交通大学, 电子陶瓷与器件教育部重点实验室, 西安 710049)2) (伍伦贡大学, 澳大利亚先进材料研究所, 伍伦贡, NSW 2500, 澳大利亚)(2020 年6 月25日收到; 2020 年7 月30日收到修改稿)作为电介质大家庭的重要成员, 铁电材料以其蕴含丰富的物理性质而闻名, 并因此吸引了大量科技工作者. 压电效应是铁电材料最为重要的物理性质之一, 同时也是目前铁电材料所有物理性质中应用最为广泛的.例如: 水声声呐系统、医疗超声探头、压电驱动器等器件的核心压电元件均为铁电材料. 本文将以时间为轴,重点介绍钛酸铅基铁电材料压电效应的发展历史, 同时讨论铁电材料微观结构、极化状态与压电效应之间的构效关系. 本文涉及到影响铁电材料压电效应的一些重要因素, 如: “准同型相界”、“软性掺杂”、“极化旋转”、“局域结构无序”等, 希望能够在铁电功能材料的设计方面给予读者启发.关键词：铁电材料, 压电效应, 性能优化PACS：77.80.Jk, 77.84.–s, 77.65.–j DOI: 10.7498/aps.69.202009801 引 言压电效应是指当材料受到外力(比如: 压力)作用时, 其表面会产生电荷; 或在受到电场作用下, 会发生形变的现象. 它的英文是piezoele-ctricity, 源于古希腊语piezein/piezo和electricity,即: “压”而生“电”. 具有压电效应的材料统称为压电材料. 当然, 这里需要指出的是, 由于电致伸缩效应的存在, 所有电介质材料在电场作用下均可发生形变. 但是, 压电效应与电致伸缩效应的区别在于: 1)电致伸缩效应所产生的应变与电场的二次方成正比, 而压电效应所产生的应变与电场一次方成正比; 2)仅具有电致伸缩效应而不具有压电效应的电介质材料, 在应力的作用下不能产生极化强度和电荷.压电材料是现代科学技术中不可或缺的关键材料, 它被广泛应用于医疗超声成像、水声声呐、无损检测仪、各类传感器(如加速度计)等器件中.这些器件的性能优劣与其所使用的压电材料息息相关. 因而, 获得具有更高性能的压电材料成为了科学家们研究的重要目标.1880年, 居里兄弟首次在石英晶体中发现了压电效应. 然而, 在这之后的30多年中, 不论从科学层面还是技术层面来看, 压电效应并没有引起太多的关注. 直到1917年, 法国科学家朗之万利用石英晶体的压电效应发明了世界上第一台主动声呐(也称朗之万声呐), 基于“回声定位”的方法成功实现了对舰船的定位. 朗之万声呐在第二次世界大战期间的大西洋战役中发挥了非常重要的作用, 也成为了压电材料发展史上最重要的一次应用展示.正是在水声声呐系统中的成功应用, 拉开了人类探索高性能压电材料的帷幕.相比于其他压电材料, 钙钛矿相铁电材料以压电电荷系数d iµ和机电耦合系数k ij值高而闻名, 是用于医疗超声换能器、水声换能器以及压电驱动器* 国家自然科学基金(批准号: 51922083)资助的课题.† 通信作者. E-mail: ful5@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 等压电器件的核心材料. 本文将重点介绍钙钛矿相压电材料的发展历史, 同时讨论材料微观结构与压电效应的构效关系.2 钛酸钡: 压电材料进入“铁电时代”压电效应第一次质的飞跃源于19世纪40年代钛酸钡(BaTiO 3)的发现, 其压电系数约为190 pC/N, 远高于石英的2 pC/N. 同时, BaTiO 3也是首个具有钙钛矿结构的铁电材料(铁电材料是一种具有自发极化且极化矢量可以被电场反转的一类材料, 如图1(a)所示). 此后, 用于制作超声换能器的压电材料正式进入了“铁电”时代. 在目前所有的压电材料中, 铁电材料的压电系数通常远高于非铁电材料. 在外场(应力或电场)作用下, 铁电材料的自发极化方向和强度的变化以及相应的晶胞参数变化, 是造成铁电材料具有高压电效应的关键因素. 直观上来看, 为了获得高压电效应, 铁电材料需要满足这样两个特点: 1)自发极化强度大;2)自发极化容易被外场扰动. 基于热力学理论, 可以得到一个更准确的表达, 即: 压电系数与自发极化强度和介电常数的乘积成正比: d ～2QP S e , 其中, d 为压电系数, P S 为自发极化强度, e 为介电常数, Q 为电致伸缩系数. 在这个表达式中, 介电常数越大则表明自发极化越容易被电场扰动. 通常情况下, 铁电材料介电常数与自发极化强度是相互制约的, 因此压电效应的提升需要在这两个物理量之间进行权衡. 例如, 铁电材料居里温度越高, 它在室温条件下的极化强度越大(图1(b)); 但是, 与此同时, 极化矢量也越不容易被外场扰动, 导致介电常数下降(如图1(c)). 因此, 一味地降低居里温度,并不能让铁电材料压电效应持续增大. 现有实验结果表明, 压电效应最大的铅基陶瓷居里温度在100 ℃附近[1], 而压电效应最大的铌酸钾钠(KNN)基陶瓷居里温度在150 ℃附近[2].3 锆钛酸铅: 准同型相界与掺杂改性作为换能器用压电材料, 钛酸钡并没有被使用太长时间, 便被大名鼎鼎的锆钛酸铅(PbZrO 3-Pb TiO 3, PZT)固熔体陶瓷所取代. 20世纪50年代,Jaffe [3]在锆钛酸铅固熔体中发现了比钛酸钡更为优异的压电性能(d 33～300 pC/N)以及更好的温度稳定性. 可谓是出道即巅峰, 没有经历太长时间的基础研究, PZT 陶瓷即被工业化生产, 成为了广泛应用于各行各业的压电材料. 时至今日, 世界上许多PZT 陶瓷生产单位所应用的PZT 组分仍是源于20世纪60或70年代.⟨100⟩⟨111⟩在学术研究方面, PZT 的出现为铁电压电材料领域提供了两个直到今日仍然十分热门的研究方向. 一是准同型相界(morphotropic phase bou-ndary, MPB). 在PZT 固熔体中, PbTiO 3 (PT)为四方相铁电体, 其压电系数d 33小于100 pC/N;PbZrO 3 (PZ)为反铁电体, 不具有压电性. 但在PT 中加入PZ, 且PZ 与PT 的摩尔比例达到53∶47时, 晶体结构从原先PT 的四方相转变为了三方相, 即自发极化方向由 方向转变为 方向.更令人惊讶的是, 在这个组分附近, PZT 的压电系数d 33可达约300 pC/N. 虽然三方和四方铁电相在自发极化方向上有本质的区别, 但是二者晶胞参数均十分接近立方相晶胞参数, 因此称为准同型相. 在PZT 相图中, 这两个相的分界被称为“准同CC铁电体极化矢量长程有序室温温度室温温度介电常数自发极化强度(b)(c)(a)图 1 (a)单畴铁电材料极化矢量长程有序示意图, 其中红色箭头代表偶极矩; (b)自发极化与温度关系示意图(以二级铁电相变为例); (c)介电常数与温度关系Fig. 1. (a) Schematic drawing of long-range ordered ferroelectrics with single-domain structure, where the red arrows indicate the electric dipoles; (b) the relationship between spontaneous polarization and temperature (taking the second-order ferroelectric phase transition as an example); (c) the relationship between dielectric permittivity and temperature.型相界”[3]. 在PZT 出现70年后的今天, 寻找、构建准同型相界仍然是提升铁电材料压电性能的首选方法. 从热力学角度来看, 准同型相界处的高压电性能可以从本征晶格压电畸变的角度解释. 如图2所示, 随着组分靠近准同型相界, 在极化矢量处于稳态时的自由能曲线曲率减小, 这表明: 在外场扰动下PZT 自发极化矢量更容易发生旋转, 从而对压电效应产生贡献. 虽然, 这样的理解在PZT 时期就已存在, 正如文献[4]所述: “polarization rotation (without being called so) is an old conc-ept that was proposed more than 30 years ago to explain qualitatively enhanced properties of PZT in the MPB region”. 然而, 直到2000年, Fu 和Cohen [5]在Nature 上发表论文, 并将这种机理称为“Polarization Rotation Mechanism”后, 才被广泛宣传. 另一方面, 在MPB 附近, 畴壁运动对压电效应的贡献也被认为有显著提升, 这一点同样可基于图2进行定性的解释. 随着组分靠近MPB, 三方相与四方相之间的势垒降低. 因此, 在外场作用下, 三方相(或四方相)电畴中部分晶胞的极化矢量很容易“跳过势垒”, 从一个(亚)稳态转换到另一个(亚)稳态. 这种极化矢量的“跳转”(英文常称switch)对材料宏观介电和压电效应都会产生贡献.二是掺杂改性. 在PZT 中进行微量元素的掺杂, 可使其出现截然不同的性能. 从应用角度来看,掺杂主要分为“软”和“硬”两类.“软性”掺杂可提高PZT 陶瓷压电系数(d 33可达500—800 pC/N), 主要掺杂元素包括A 位掺Ba 2+, Sr 2+, 镧系稀土等,B 位掺Nb 5+, Ta 5+等; 硬性掺杂可降低PZT 陶瓷中的介电损耗和机械损耗(可降低一个数量级, 例如: 介电损耗可由1%降低到1‰), 从而满足一些大功率发射型换能器的应用要求. 硬性掺杂通常是采用低价态元素来替换B 位的Ti 4+或Zr 4+, 主要元素为Fe 2+/3+, Mn 2+/3+等.为了设计出具有更优异性能的压电材料, 研究者们开展了大量的研究工作, 来探索PZT 陶瓷的掺杂改性机理. 目前, 大多数关于掺杂机理的解释都是从畴壁运动角度出发. 简单来说, 硬性掺杂可使PZT 陶瓷的电畴结构更加稳定, 在外场作用下不容易被改变, 导致压电效应以及与畴壁运动相关的损耗同时降低; 软性掺杂导致PZT 陶瓷的电畴活动能力增强, 更容易被外场扰动, 因而展现出更高的压电性能. 为了辅助新材料的设计, 这种简单的认识显然是远远不够的, 我们需要知道不同的掺杂元素在PZT 中扮演的角色是什么, 为什么有些掺杂能使PZT 的自发极化更加稳定, 而有些却使其失稳. 遗憾的是, 经过了50余年的研究工作, 学者们虽然可以相对合理地解释PZT 陶瓷的硬性掺杂机理(即: B 位受主杂质与氧空位形成内建电场,此电场与电畴自发极化方向相同, 对电畴起到“钉扎”的作用, 使电畴更加稳定, 不易被外场扰动, 从而降低了压电效应以及介电、弹性损耗. 详细内容可参考文献[6, 7]), 但是对软性掺杂机理仍不清楚—引自文献[6, 7] (“Interestingly, while the origins of hardening are reasonably well under-stood, the reasons why PZT becomes soft with respect to the pure composition are not well understood, even after more than 50 years of intensive studies of this material.”), 显然, 揭示软性掺杂机理、获得具有更高性能的压电材料, 是当靠近MPB靠近MPB 曲率减小组分靠近MPB, 介电、压电效应增强自由能自发极化方向R [111]T [001]PbZr 0.60Ti 0.40O 3PbZr 0.55Ti 0.45O 3PbZr 0.52Ti 0.48O 3[111][111](a)(b)R [111](1¯10)[111][¯1¯11](1¯10)[111][¯1¯11]图 2 (a)热力学计算得到的三种不同组分PZT 自由能与自发极化方向的关系, 图中给出了自发极化在 面内由 方向转向 方向过程中自由能的变化情况; (b)自发极化在 面内, 由 方向转至 方向的示意图[111][¯1¯11](1¯10)Fig. 2. (a) Relationship between the free energy and the direction of spontaneous polarization of three PZT solid-solutions, calcu-lated by phenomenological theory; (b) the schematic of the rotation of the spontaneous polarization from to directionwithin the plane.前驱动器、传感器等压电器件小型化、高精度化发展的迫切需求. 本文最后将基于近些年的研究工作, 提出一些想法. 在这之前, 先介绍另一类重要的材料体系—弛豫铁电体.4 以PMN-PT为代表的一系列弛豫铁电陶瓷钙钛矿结构本身是一个非常有趣的晶体结构,它对元素取代有十分高的容忍度, 这就使得人们不仅仅满足于微量掺杂. 本着没有最好只有更好的信念, 材料工作者们开展了大量的掺杂工作, 获得了许许多多的铅基钙钛矿铁电陶瓷, 这其中有一类材料自成一派, 被称为弛豫铁电体[8−10]. 经典的弛豫铁电体主要有如下两种: 1)将PZT中的Zr完全由不等价的两种元素按照一定比例完全替换(如: Mg2+:Nb5+ = 1∶2, In3+:Nb5+ = 1∶1), 形成PMN-PT或PIN-PT固熔体; 2)在PZT中掺入7%—10%的La元素来取代A位的铅, 从而获得的PLZT. 弛豫铁电体的核心特点为: 1)在纳米尺度上存在晶体结构的不均匀(在PLZT中, 是由于La掺杂而引起的; 在PMN中, 是由于存在B位Mg2+和Nb5+离子的有序和无序区域, 这些区域尺寸约为几个纳米); 2)由于纳米尺度上的结构不均匀, 极性纳米微区出现在弛豫铁电体中(注: 传统意义的长程铁电畴尺寸通常在亚微米量级以上),因而在这些材料中会观察到很强的介电弛豫现象.由于与“纳米”结缘, 弛豫铁电相比于铁电又多了几分神秘色彩, 成为了从20世纪60年代至今铁电领域的研究热点. 弛豫铁电材料在电光调制器、电容器以及低滞后驱动器等方面均有重要应用. 例如,作为变形镜驱动器, 20世纪90年代被用于美国哈勃望远镜, 成功提高望远镜分辨率. 但经典的弛豫铁电陶瓷, 如PMN-PT陶瓷, 在压电性能方面并没有展示出明显的优势, 因而也没有引起足够的重视. 实际上, 弛豫铁电体在压电应用方面的重要性,一直到20世纪90年代弛豫铁电单晶生长技术的逐渐成熟后才被广泛关注.在介绍弛豫铁电单晶之前, 先总结一下压电陶瓷在1960—1990年间的研究工作. 在这段时间,铁电领域的前辈们合成了大量不同组分的压电陶瓷, 优化了它们的工艺, 研究了其性能. 最后, 人们总结发现, 铅基陶瓷压电效应与居里温度之间存在图3所示的制约关系[1]. 这里需要说明一下, 压电陶瓷与半导体材料不同, 未被赋予科技革命的重任. 因此, 在使用过程中, 压电器件通常不会配备专用的控温设备, 导致在使用过程中升温明显. 另一方面, 压电材料也还承担着诸如石油探测、深海通讯等高温高压条件下的工作任务. 因此, 居里温度也就成为了考核压电陶瓷的又一个重要指标. 居里温度越高, 材料极化状态的稳定性越高, 因而温度、电场以及压力条件下稳定性都有所提高. 这样一来, 获得同时具有高压电效应和高居里温度的压电陶瓷成为一项艰巨的任务. 时至今日, 压电性能与居里温度的制约关系仍然是压电材料领域的核心瓶颈问题之一.5 以PMN-PT和PZN-PT为代表的弛豫铁电单晶20世纪90年代中期, 弛豫铁电单晶[11−13]的问世让人们第一次看到突破上述瓶颈问题的希望,如图4所示[1,13]. 在美国、日本、中国、加拿大、韩国等国家的大力推动下, 弛豫铁电单晶的生长技术迅速提升, 晶棒直径在短短的10多年时间内发展到了4 in (1 in = 2.54 cm), 并成功应用于众多医疗B超换能器中, 例如: Philips的Pure Wave系列超声探头. 这里特别需要说明的是, 文献报道弛豫铁电单晶的第一次成功生长可追溯到1973年[11];同时, 早在1982年, Kuwata等[12]就报道了PZN-0.09PT单晶的压电性能. 但是, 由于当时生长水平的限制, PZN-0.09 PT单晶的性能相比于软性压电陶瓷没有表现出明显优势, 同时由于晶体尺寸仅为几个毫米, 很多性能没有被完全表征, 导致当时0100200300400500居里温度/C20040060080010001200140033/pCSN-1铅基陶瓷图 3 铅基陶瓷压电系数d33与居里温度T C的对应关系[1] Fig. 3. Relationship between d33 and T C for lead-based ceramics[1].并没有引起足够的重视. 包括Kuwata 与Uchino 本人在内, 也没有继续深入开展弛豫铁电单晶的生长研究工作, 这也使得最后因弛豫铁电单晶而闻名的人是Tom Shrout 和Seung-Eek (Eagle) Park.1995—1997年间, Shrout 和Park [13]获得了高质量的PMN-PT 和PZN-PT 弛豫铁电单晶, 单晶的最大压电系数达到2500 pC/N, 应变达到1.7%. 这项工作也使Shrout 和Park 成为了弛豫铁电单晶发展史上最为重要的两位科学家. 之后的短短数年，在包括我国中国科学院上海硅酸盐研究所罗豪甦研究员在内的一大批晶体生长学家的共同努力下，坩埚下降法被成功应用于弛豫单晶的生长，为定向生长大尺寸弛豫铁电单晶奠定了基础.除了为压电器件性能提升带来了一次机遇, 弛豫铁电单晶在基础研究方面也扮演着重要角色.从BaTiO 3发现至今, 能制备成单晶的钙钛矿铁电材料并不多, 而尺寸能够超过10 mm 的就更少.目前, 除了PMN-PT 等弛豫铁电单晶外, 只有BaTiO 3和铌酸钾钠(KNN)可以勉强达到这个尺寸. 另一方面, 许多基本测试又对晶体尺寸有一定要求, 如压电全矩阵表征、中子散射研究等. 因此,以PMN-PT 为代表的弛豫铁电单晶, 作为所有钙钛矿铁电体系中第一个能被“长大”的单晶, 为钙钛矿铁电材料结构-性能研究工作提供了材料基础.5.1 弛豫铁电单晶的学术价值1)从实验角度验证了铁电材料的本征压电效应在MPB 附近有显著提升在弛豫铁电单晶出现之前, PZT 陶瓷的研究工作虽然已开展了数十年, 但是人们始终无法找到合适的实验方法将本征压电效应与非本征压电效应(主要指畴壁运动)区分开. 在这种情况下, 大多数文献将PZT 陶瓷在MPB 附近性能的提升以及软性掺杂后压电效应的提高习惯性地归结于畴壁运动的贡献. 但这种认识的前提是: 本征压电效应的变化很小, 可以忽略. 然而实际情况是这样么?单晶材料显然是回答这一问题的“一把利器”. 利用合适的极化条件, 沿弛豫铁电单晶的自发极化方向极化晶体, 可以获得单畴单晶, 这样便可以完全将畴壁运动的贡献排除掉. 根据电场方向与自发极化方向的关系, 单畴铁电单晶的压电效应可以简单地分为两类. 1)纵向压电效应(电场方向与自发极化方向平行), 对应于自发极化在外场作用下的“伸缩”, 即强度变化; 2)剪切压电效应(外加电场方向与自发极化方向垂直), 对应于自发极化在外场下的“旋转”, 即方向变化, 如图5所示. 从热力学角100200300400500居里温度/C0200400600800100012001400 33/p C S N -1PMN -PT 单晶图 4 弛豫铁电单晶与铅基陶瓷压电性能对比, 陶瓷数据源于文献[1], 晶体数据来源于文献[13]Fig. 4. Comparison of d 33 between lead-based ceramics and relaxor-PT single crystals. The data of the ceramics is from Ref. [1]; the data of crystals is from Ref. [13].3311S极化伸缩极化旋转图 5 剪切与纵向压电效应示意图(对于任意的铁电畴,所受外加电场总可以按照电场与自发极化方向关系分为两类: 1)电场方向与自发极化相同的分量, E 3; 2)电场方向与自发极化垂直的分量, E 1. 图中红色箭头代表自发极化方向, 绿色箭头代表加电场后的自发极化方向)Fig. 5. Schematic of shear and longitudinal piezoelectric re-sponses. For a ferroelectric single-domain, the applied elec-tric field can be divided into two categories: 1) The electric field (E 3) parallel to the direction of the spontaneous polar-ization; 2) the electric field (E 1) perpendicular to the direc-tion of the spontaneous polarization. The red arrows repres-ent the direction for the spontaneous polarization, and the green arrows represent the direction for the spontaneous po-larization after applying an electric field.度可以很容易得到, 铁电晶体靠近顺电相时, 纵向压电效应提高; 靠近铁电-铁电相变点时(如三方-四方、三方-正交), 相应的剪切压电效应会提高. 利用弛豫铁电单晶, 可完美地实验证明了这一点. 如图6所示, 随着组分靠近准同型相界, 单畴弛豫铁电单晶的剪切压电效应大幅提高, 且远高于单畴纵向压电效应[15]. 因此, 这里需要特别指出的是, 弛豫铁电单晶高压电效应的根源是单畴剪切压电效应. 多畴结构晶体中的高纵向压电系数均可以通过对单畴晶体性能进行坐标变换来解释. 例如: 工程上最常用到的[001]极化的三方相弛豫铁电单晶(多畴状态)压电系数d 33, d 31等[14,15].如上所述, 弛豫铁电单晶的出现告诉我们:PT 基铁电体的本征压电效应本身就可以很高(～2000 pC/N), 远高于不少学者基于PZT 陶瓷研究的推断, 即本征压电效应在200 pC/N 量级.2)局域结构与压电效应存在重要联系紧接着带来的第二问题是: 高剪切压电效应是否与“弛豫铁电体”有所联系? 换句话说弛豫铁电体的结构特点, 即“局域结构在纳米尺度上的分布不均”, 是否能使其极化矢量更容易在垂直电场作用下发生旋转? 这是一个非常难以回答的问题, 也因此吸引了大量的研究人员. 然而, 到目前为止仍然存在争议. 说这个问题困难, 主要是缺乏一个“公平”的对比实验, 即: 保证所有其他条件都不变(比如: 居里温度、三方-四方相变温度), 只对晶体局域结构进行微调, 观察压电效应的变化. 对于PMN-PT 单晶来说, PZT 单晶是一个比较好的参照物. 因为, 同是PT 基钙钛矿晶体, 相比于PMN-PT, PZT 单晶在纳米尺度上的局域结构更为均匀(有中子散射实验为证, 图7[16]). 但是, 非常可惜,组分在准同型相界附近的PZT 单晶十分难于生长, 在很长一段时间内都缺乏满足测试条件的PZT 单晶. 直到2010年前后, 龙西法教授与叶作光教授才成功生长出了勉强满足测试条件的PZT 单晶, 压电系数约为1000 pC/N, 大约是PMN-PT 单晶的一半[16]. 此结果在一定程度上说明了PMN-PT 单晶中的局域结构不均匀很可能对压电效应有显著贡献. 但是, 这样的推断仍然不够严谨. 相比0.260.270.280.290.300.320.340.360.38组分压电系数/p C S N -1剪切纵向PMN - PT正交相单斜相三方相图 6 单畴PMN-PT 弛豫铁电单晶剪切、纵向压电效应与准同型相界的关系[15]Fig. 6. Shear and longitudinal piezoelectric properties versus MPB for single-domain PMN-PT crystals [15].-0.2-0.100.10.2( , , 1.1)012345弥散散射强度(a)PMN=1.7 K-0.2-0.100.10.2( , , 1.1)012345弥散散射强度(b)PZT=1.7 K图 7 PMN 与PZT 单晶的中子弹性弥散散射实验结果(图中纵轴为弥散散射强度, 其强度越大, 则表示局域结构无序性越强;插图给出了在(001)散射面附近测得的弹性散射强度等值线的形状)[16]Fig. 7. Neutron elastic diffuse scattering results for PMN and PZT single crystals. The y -axis represents the diffuse scattering in-tensity. The higher the intensity indicates the higher degree of the local structural heterogeneity. The inset figures give the contour maps of elastic scattering intensity measured near the (001) plane [16].于PMN-PT 而言, PZT 居里温度更高, 同时在三方-四方相变温度上也有所不同, 这些都可能是造成压电效应差异的因素. 缺少关键实验证据, 那么不依赖于实验的理论计算, 如密度泛函理论计算等, 是否可以解决这个问题呢? 答案是消极的. 原因在于, 构建一个足够大的超晶胞, 涵盖PMN-PT 单晶中B 位离子的准确分布, 是一项在目前十分棘手的工作.5.2 弛豫铁电单晶高压电效应起源的介观物理机制2006—2016年, 笔者课题组一直从事弛豫铁电单晶压电效应起源方面的研究工作. 2010年, 我们发现了一个十分重要的实验现象: 单畴弛豫铁电单晶中与极化旋转对应的介电常数(e 11/e 22)在低温段出现了异常的变化, 如图8所示[17,18]. 说它异常, 主要是因为这个现象无法用传统的热力学理论进行解释, 在出现异常的温度段并没有任何铁电相变发生. 在实验层面, 这项工作主要有以下两点贡献: 1)利用高质量单畴晶体做测试, 确定畴壁运动与介电、压电效应的低温异常衰减没有关系; 2)首次在单畴PMN-PT 晶体中发现了介电弛豫现象.这两个实验的发现使我们必须承认单畴PMN-PT 单晶与理想的铁电单畴有所不同. 如图8(d)所示, 低温段, 介电、压电效应经历了一个类似于“热激活”的过程, 这是弛豫铁电单晶在室温条件下具有高压电效应的关键因素.那么如何来解释这个实验现象呢? 单畴PMN-PT 与传统意义上的单畴铁电体的主要区别在哪呢? 通过对单晶结构表征工作的调研, 我们梳理出弛豫铁电单晶在结构方面的两个重要特点: 1)弛豫铁电单晶的长程铁电畴中, 存在着一些纳米尺度的区域, 这些区域的局域结构以及极化方向与长程铁电畴有所不同; 2)在远低于居里温度的条件下,随着温度的升高, 局域结构与长程铁电畴的区别逐渐减小, 在衍射实验中, 表现为弥散散射强度(diffuse scattering intensity)随温度升高而下降,如图9所示[19]. 根据弛豫铁电单晶结构特点, 在相100200300温度/K0.10.20.30.40.5介电损耗介电常数 11/ 0PMN -0.28PT (三方相)(a)约为室温的50%=2600100200300温度/K0.10.20.30.40.5介电损耗介电常数 11/ 0PZN -0.15PT (四方相)(b)约为室温的75%=40000.1 kHz 1 kHz 10 kHz 100 kHz0.1 kHz 1 kHz 10 kHz 100 kHz010*******温度/K压电效应-温度(c) 15 of PMN -0.28PT 单晶 15 of PZN -0.15PT 单晶相变温度室温介电/压电响应弛豫铁电单晶传统铁电单晶这个“跳跃”是驰豫铁电单晶有超高压电性能的基础(d)剪切压电系数/p C S N -1图 8 单畴弛豫铁电单晶低温介电、压电性能[17,18] (a)单畴三方相PMN-0.28PT 单晶横向介电常数(e 11); (b)单畴四方相PZN-0.15PT 单晶横向介电常数(e 11); (c)两种晶体的低温剪切压电系数; (d)相比于传统铁电单晶, 弛豫铁电单晶室温高性能起因的示意图Fig. 8. Low-temperature dielectric and piezoelectric properties of single-domain relaxor ferroelectric single crystals [17,18]: (a) Trans-verse dielectric (e 11) permittivity for rhombohedral PMN-0.28PT crystal; (b) transverse dielectric (e 11) permittivity for tetragonal PZN-0.15PT crystals; (c) shear piezoelectric properties for relaxor-PT crystals; (d) the origin of the ultrahigh dielectric/piezoelec-tric properties in relaxor-PT ferroelectric crystals when compared to the conventional ferroelectric crystals.。
压电陶瓷介电常数
压电陶瓷介电常数介绍压电陶瓷是一种特殊的材料，它具有压电效应和介电效应。
其中，压电效应是指在外加压力作用下产生电荷，而介电效应则是指在外加电场作用下发生形变。
这两种效应使得压电陶瓷可以广泛应用于声学、振动、传感器等领域中。
其中，介电常数是描述材料对外界电场响应能力的物理量之一。
本文将详细介绍压电陶瓷的介电常数及其相关知识。
一、什么是介电常数1.1 定义介电常数（Dielectric Constant）也叫相对介电常数或相对静电容量，是指某种物质在外加相同大小的交变或直流场作用下所具有的储存能量与真空中储存同样大小的能量之比。
通俗地说，就是描述物质对于外界电场响应能力的物理量。
1.2 物理意义介电常数越大，则材料对于外界的干扰越小。
例如，在微波通信领域中，由于大气层和建筑物等障碍物会造成信号衰减和反射等问题，因此需要使用高介电常数的材料来增强信号穿透能力。
1.3 计算公式介电常数的计算公式为：εr = C/C0其中，C为物质的电容量，C0为真空中同样大小的电容量。
εr为相对介电常数。
二、压电陶瓷介电常数2.1 压电陶瓷的特性压电陶瓷是一种具有压电效应和介电效应的特殊材料。
它在外加压力作用下可以产生极化，从而产生电荷；同时，在外加电场作用下也可以发生形变。
2.2 压电陶瓷的应用由于其具有良好的压电和介电性能，因此压电陶瓷被广泛应用于声学、振动、传感器等领域中。
例如，在声波发射和接收领域中，压电陶瓷可以将机械振动转化为相应的电信号或将外界的声波转换为机械振动；在超声波成像领域中，压电陶瓷可以通过控制其形变来调节超声波传播路径和聚焦点等。
2.3 压电陶瓷介电常数的影响因素压电陶瓷介电常数的大小受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：2.3.1 粒子大小压电陶瓷的粒子大小对于其介电常数有很大的影响。
通常情况下，粒子越小，则表面积越大，相应地介电常数也会增加。
2.3.2 结晶度结晶度是指材料内部结构的有序程度。
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。
常见的各类原理效应
常见的各类原理效应一、测量原理效应：1.电阻温度系数：电阻的电阻值随着温度的变化而变化，其温度系数越大，说明电阻值对温度的敏感性越高。
2.磁敏度效应：当被测物体在磁场中运动时，会产生感应电势，通过测量感应电势的大小可以确定物体的速度和方向。
3.压力敏感效应：当被测物体受到压力作用时，其内部结构会发生变化，从而产生信号，通过测量信号的大小可以确定压力的大小。
4.光电效应：当光照射到一些物质表面时，会激发物质中的电子，使其发生移动从而产生电流，通过测量电流的大小可以确定光的强度。
5.声电效应：当声波通过一些物质时，会引起物质中的电荷分布发生变化，从而产生电势，通过测量电势的大小可以确定声波的频率和强度。
6.温电效应：当温差作用在两个不同材料的接触处时，会在接触处产生电势差，通过测量电势差的大小可以确定温差的大小。
二、能量转换原理效应：1.热电效应：当两个不同材料的两端温度差异时，会在材料中产生电势差，从而实现热能到电能的转换。
2.光电效应：当光照射到半导体材料上时，会激发物质中的电子，从而实现光能到电能的转换。
3.电磁感应效应：当导体在磁场中运动时，会在导体中产生感应电流，从而实现机械能到电能的转换。
4.压电效应：当压力作用在压电材料上时，会使材料产生电荷分布的变化，从而实现机械能到电能的转换。
5.化学电池效应：将化学反应产生的能量转化为电能的过程。
6.核能转换效应：通过核反应将核能转化为电能的过程。
三、控制原理效应：1.比例效应：两个量之间成比例关系的效应，如电流和电压的关系。
2.反馈效应：控制系统中，将系统输出信号回馈给输入端，从而调整系统的工作状态。
3.动态响应效应：对输入信号的快速响应能力，如在输入信号发生变化时，系统能够快速响应并调整输出信号。
4.稳定性效应：系统在工作过程中保持稳定的能力，如在外界干扰的情况下，系统能够维持输出信号的稳定。
5.控制延迟效应：控制信号到达控制系统后，系统反应的延迟时间。
第八章压电器件
串联谐振频率f0
并联谐振频率f∞，
当f=f0时，等效阻抗最小，振子产生串联谐
振；当f=f∞时，等效阻抗达到最大值，产生
并联谐振。
调幅收音机中常用的二端陶瓷滤波器
二端陶瓷滤波器的谐振曲线尖锐，谐振电阻小，但通 带窄，矩形系数差，类似于单调谐回路，常用于中放 的发射极电路代替其旁路电容，有助于提高对中频的 选择性。
3、三端压电陶瓷器件 将二端压电陶瓷器件的单面电极分割 成互相绝缘的两部分，即可构成一个三 端陶瓷滤波器。
三端陶瓷滤波器相当于一个双调谐回路，其调谐曲线呈现双 峰，与二端陶瓷滤波器相比，其通带宽，矩形系数好，因而 具有较好的选择性，可用于代替中频变压器。
9.2.3声表面波滤波器
概念：具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也 会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转 为声信号。由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表 面波。
具有压电效应的晶体
不具有压电效应的晶体
主要参数
1、压电常数 它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的
灵敏度。 2、弹性常数
压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动 态特性。 3、介电常数
对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数有 关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
石英晶体薄片受到外加交变电 场的作用时会产生机械振动， 当交变电场的频率与石英晶体 的固有频率相同时，振动便变 得很强烈，这就是晶体谐振特 性的反应。
晶振元件结构
•石英晶片 •晶片支架 •封装外壳
频率稳定问题 频率稳定度一般由f 来衡量 f0
f ——频率偏移量。 f0 ——振荡频率。
Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。
固体物理基础-压电性
（c）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时
晶体的变形如图所示, P1增大, P2、P3 减小。
2、压电陶瓷的压电效应
A.压电陶瓷晶体结构 材料内部的晶粒有许多自发极化 的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 如图 （ a ）所示。 B.压电陶瓷的预极化 1）预极化过程 （a）无外电场作用 （b）在陶瓷上施加外电场
2、正压电效应与逆压电效应
某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小的像声波振动那样 小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正 压电效应；反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电 效应；晶体的这种性质称为压电性。
图（a）正压电效应
图（b）逆压电效 应
3、压电体(能产生压电效应的晶体)
2.压电振子的振动模式
例是X切的一块石英薄片，在两面加上电极，图（a）。在不同频率上 用交流电压激发各种模式的机械谐振。
伸缩振动：极化方向与电场 方向平行时产生的振动。包括 长度伸缩振动、厚度伸缩振动。 图（b）和（c）
切变振动：极化方向与电场 方向垂直时产生的振动。包括 平面切变振动、厚度切变振动。 图（d）
偶 极矩的极性晶体，由 于温度变化引起电极 化状态的改变,当均匀 加热时,能够产生电荷。 这种偶极子的效应称 为热电性，具有热电 性的物体叫热电体
二、压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用 下发生变形所引起的。 1、石英单晶压电效应
1）压电体的结构特点
不具有对称中心的晶体，质点排列不对称，在应力作用下它 们就受到不对称的内应力，产生不对称的相对位移。结果形 成新的电矩，呈现出压电效应。
2）介电体、压电体、热电体、铁电体的关系
铁电体是一种极性晶体，属于热电体。它的结构是非中心对称的，因 而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。
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名词解释
1．压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
压电陶瓷piezoelectric ceramics 一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。
这是一种具有压电效应的材料。
压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
2. 介电材料
2.1介电质（dielectric）是一种可被电极化的绝缘体。
介电质的用途相当广泛。
介电质的电传导能力很低，再加上具备有很好的介电强度（dielectric strength）性质，就可以用来制造电绝缘体。
另外介电质可被高度电极化，是优良的电容器材料。
对于介电性质的研究，涉及了物质内部电能和磁能的储存与耗散。
用于解释电子学、光学和固态物理的各种各样现象，这研究极端重要。
2.2介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示。
材料应用高频技术时，如实木复合地板采用高频热压时介电性能是非常重要的性质。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。
2.3在电磁学里，当给电介质施加一个电场时，由于电介质内部正负电荷的相对位移，会产生电偶极子，这现象称为电极化（英语：electric polarization）。
施加的电场可能是外电场，也可能是嵌入电介质内部的自由电荷所产生的电场。
因为电极化而产生的电偶极子称为“感应电偶极子”，其电偶极矩称为“感应电偶极矩”。
2.4在电场作用下具有电极化能力的陶瓷。
按用途和性能分为电绝缘、电容器、压电、热释
电和铁电陶瓷。