压电、热释电和铁电介质材料

数学定义式：K Ume U mm Uee
各个能量的含义：
U mm
1 2
SiEj TiT
；机械能密度。
j
U ee
1 2
T mn
Em
En；介电能密度。
U me
1 2
dmj
EiT
；机械
j
电相互作用能密度。
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工程技术上的含义：
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
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2）压电效应的物理机制
压电材料包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料。
1.压电单晶
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而 被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方 向上的晶体表面出现剩余电荷。
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2）压电效应的物理机制
2.压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化处理 的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为 正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面 吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将 会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另 一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面的自由电荷过剩出现放 电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能
的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
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2 介电常数 ε
反应了材料的介电性质或极化性质。
压电体也是电介质，尤其是铁电体，具有大的介电常数，
是高效电容的研究热点。
对于：D ij E
D：电位移；E：电场强度
由热力学讨论得出：
是二阶对称张量。对极化为Z轴方向
表示压电体机械能转变为电能或者电能转变为机械能的转换系数。 反应了机械性能和介电性能之间的耦合关系。
dmj 电场恒定时，单位应力变化引起的电位移变化。 dni 应力恒定时，单位电场变化引起的应变的变化。 emi 电场恒定时，单位应变变化引起的电位移变化。 enj 应变恒定时，单位电场变化引起的应力的变化。 gmi 电位移恒定时，单位应力变化引起的电场变化。 gnj 应力恒定时，单位电位移变化引起的应变变化。 hni 电位移恒定时，单位应变变化引起的电场变化。 hmj 应变恒定时，单位电位移变化引起的应力变化。
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9.2.2 热释电性
❖ 热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自发极化要 产生表面束缚电荷，这种电荷被来自空气中附集于电 介质表面上的自由电荷所补偿，其电不能显现出来， 当温度发生变化，由温度变化引起电介质的极化状态 的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿，使电介质对外显电性。
产生的条件： 一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。
❖ 这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。
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(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。
+-
+ -
+-
-
+-
±
+
-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+
+-
+ -
+-
未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
加应力产生 极化
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(2) 含有对称中心的结构
+-
+
-+
±
+-
结构含有正负离子
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1）压电效应
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生， 会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性 与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的 状态，这种现象称为“正压电效应”—— 机械能转变为电能；反 之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产 生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变为机械 能。具有压电效应的电介质称为压电材料。
所谓极轴，顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往 具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合 的方向。
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自发极化
❖在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个 晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和 重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐， 使晶体处于高度极化状态。
ij
的压电陶瓷，由对称关系 11 22 33,因此极化压电陶瓷
有2个介电常数，考虑不同机械条件时则有4个介电常数。
其中ε下标的第一个数字表示电场方向，第二个数字表示 电流密度方向。
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3 介质损耗tanδ
表征介电体在电场作用下，由发热而导致能量的损耗。
理想电介质在正弦交变电场下，电流超前电压900，
未加应力
加应力正负电荷中心不分开，不产生极化
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压电、热释电和铁电介质材料
9.2 压电、热释电和铁电介质材料
9.2.1 压电性
对晶体对称性的研究中，法国的居里发现压电效应。
Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.
Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906
但是在压电陶瓷中，因有极化和电导损耗（对于铁
电体还包括电畴壁移动所消耗的能量），电流超前
的相位角小于900。其正切表示介电损耗大小：
tan IR 1 （损耗因子或介质损耗） IC CR
电学品质因数的定义：
Qe
1
tan
材料的tanδ越大，其性能越差。
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54 压电常数: 反映机电耦合效应的强弱
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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。
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4） 压电性能的主要参数
1 机电耦合系数K：反应了压电材料机械能与电能间的耦合关系
Electro Mechanical Coupling Coefficien（t EMCC）
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65 机械品质因数
由于内摩擦，压电振子谐振时要消耗机械能，
定义机械品质因数：
Qm
2
Ee Em
2
1 f sC1R1
Ee:谐振一周储存的机械能。
Em:谐振一周消耗的机械能。
根据定义式，Qm越大，消耗的能量越小
Qm越小，消耗的能量越大。
Qm与振子的振动模式有关，通常采用的
是圆片试样径向振动模式下的Qm。