材料的压电性与铁电性能.ppt

机械量
压 电 元件
电量
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的发展历程
压电效应(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于 1880年在α石英晶体上首先发现的。
研究对称晶体与压电现象的关系
发现：在某一类晶体中施加压力会产生电性
系统研究了施压方向和电场强度之间的关系
•在机械自由条件下，称为恒应力介电常数或自由介电常数，以
T ij
表示．
•在机械受夹条件下，则称为受夹恒应变介电常数或夹持介电常数，以
S ij
表示。
对于一定形状、尺寸的压电元件，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。
材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗 交变电场下，压电体表面所积累的电荷有两种分量：
压电效应 (Piezoelectric effect)
材料的压电性能与铁电性能
具有压电性的材料
闪锌矿(zincblende) 钠氯酸盐(sodiumchlorate) 电气石(tourmaline) 石英(quartz) 酒石酸(tartaricacid) 蔗糖(canesuger) 方硼石(boracite) 异极矿(calamine) 黄晶(topaz) 若歇尔盐(Rochellesalt)
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；
可见： tanδ与压电体中能量损耗成正比，因此，也往往就把 tanδ叫做损耗因子，或称之为介质损耗．
材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗
压电体存在介质损耗的原因：
•电导过程 即压电体输送电流的过程。此过程在高温和强电 场的情况下尤为显著
•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 (P.Langevin)
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。
极化并形成晶体表面电荷的现象也称为正压电效应。
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
NO.1
在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时， 会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化， 从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的 束缚电荷Q[如图12-1a所示]，且其电位移D与外应力 张量T之间成正比：
① 一种为有功部分(或同相)Ic：
－－－－－－－
由电导过程引起
② 另一种为无功部分(或异相)IR： 由介质弛豫过程引起
+++++++
介质损耗即为上述的异相分量 与同相分量的比值
材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗
----表征介电体在电场作用下，由发热而导致的能量损耗，通 常用tanδ表示，即
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。
+-
-
+
+-
未加应力
+-
-
—
+
+
+-
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
+-±+
+-
加应力不产生极化
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
(2) 含有对称中心的结构，加应力不产生极化。
+-+
+
±
+-
未加应力
加应力正负电荷中心不分开，不产生极化
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
材料的压电性能与铁电性能
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 影响材料压电性及铁电性的因素 第五节 压电与铁电性能的测量
材料的压电性能与铁电性能
压电wenku.baidu.com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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷。 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。
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。
一、压电效应的基本原理
无对称中心 应力
的异极晶体
•应变 •诱发出介电极化
晶体两端出现相反 的束缚电荷
定义：在没有电场作用下，由机械应力的作用使电介质晶体
产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应．
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
这种没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生
对具有压电效应的电介质施加电场作用时，同样 会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导 致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E呈 正比：
S=dE
其具体表达式：
S j dni En T j enj En
这种效应称为逆压电效应，或称电致伸缩
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第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
各 向 异 性 结 构
非晶方性结构 (anisotropic)
晶方性(isotropic)结构是 不会产生压电性的
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的应用
在居里兄弟发现“压电效应”后的三分之一个世纪中，压电效应在应用 上几乎没有受到任何重视；
一战： 盟军军舰受到德军潜艇的严重攻击
寻求新的有效探测 潜艇的方法
D=dT 其具体表达式： Dm dmjTj emjS j
式中：Dm—电位移；Tj—应力；Sj—应变；dmj—压电应
变系数；emj—压电应力系数；m—电学量的方向(=1，2， 3); j—力学量的方向(=1，2，3，4，5，6)
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
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