第十二章压电与铁电

12 .2 热释电与铁电性能
第十二章 材料的压电与铁电性
一、自发极化及其微观机制
• 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，由于晶体构造的周期性和重 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，这 种极化状态是在外电场为零时自发产生 的——自发极化。
能密度和介电能密度乘积的几何平均值之比：
K Ume Umm Uee
• 工程技术上，机电耦合系数常定义为：
K 2 电能输转入变的的电机能械能(逆压电效应) K 2 机械输能入转的变电的能电能(正压电效应)
（2）机械品质因数： 表征压电体谐振时因克服内摩擦而消耗的能量， 定义为谐振时压电振子内储存的电能与谐振时 每个周期内振子消耗的机械能之比。
端将出现正负电荷。 •逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将
产生与电场强度成比例的变形或机械应力。
+-
-
+
+-
+ -
-
+
+-
+- +- +
+-
未加应力
拉应力
压应力
－－－－－－－ + +wenku.baidu.com++ +
极化方向
自由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－ + + + + + + +
+ + ++ +
Qm 2 (Ee / Em )
（3）压电常数：
是压电体把机械能转变为电能或把电能转 变为机械能的转换系数，压电常数越大， 表明材料弹性性能与介电性能之间的耦合 越强。
（4）频率常数：压电元件的谐振频率与沿振动 方向的长度的乘积为一常数，只与材料的性 质有关。
（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。
材料的压电性能与铁电性能
概述：
介电体 压电体
热释电体 铁电体
晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象. P= (1－ o)E = o ( r- 1) E
压电效应：没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质 晶体产生极化，并形成晶体表面电荷的现象。
热释电效应：由温度变化引起电介质的极化状态的改变， 使电介质对外显电性。
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。
二、压电方程
• 压电方程：反映压电体力学量应力T、应变S和电 学量电场强度E、电位移D四个参数之间关系的方 程式。
D dT E
S sT dE
由于压电材料沿极化方向的性质与其它方向性质 不一样，所以其弹性常数、介电常数各个方向也
(1) 谐振特性 压电振子：极化后的压电体。
谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频 率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。
阻抗
反谐振
谐振
fm fn
fm1 fn1 fm2 fn2
频率
L1 C1
R
C0
压电振子的等效电路
等效电路的阻抗可表示为：
Z
j
C0
j 1 j
Re
第十二章 教学基本要求
第十二章压电与铁电
第十二章 教学基本要求
教学基本要求
一、理解什么是压电效应、正压电效应、逆压电效 应，了解描述压电性能的主要参数。
二、理解自发极化的概念，理解什么是铁电性、铁 电体的共同特性、铁电畴、影响铁电性能的主要因素。
三、理解什么是热释电效应，了解压电体、热释 电体和铁电体在晶体结构上的区别。
铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用 下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关
系呈电滞回线特征。
第一节 压电性能
一、 压电效应的基本原理
•压电效应：没有电场作用，由机械应力的作用而使电 介质晶体产生极化，并形成晶体表面电荷的现象。
•正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力 时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两
释放电荷
极化方向
正压电效应
－－－－－ +++++++ + + ++ +
逆压电效应
正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：
Dm dmjTj Dm emjS j
逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
Si dmiEn Tj enj En
注：正、逆压电效应的压电常数一样。
二、压电振子与压电方程
jX e
式中，

f2
f
2 p

f
2 s
称为归一化因子；
f
2 s

2fC0R1称为归一化阻尼因子。
（2）压电振子的振动模式
薄片型
沿轴向振动
电 场
轮廓振动或 薄长片 径向振动
厚度振动
方
向
厚度切
变振动
长度振动 横向效应
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。
不一样，并且与边界条件有关。
四种不同的边界条件
由于边界条件和自变量的差异，压电方程具有不同 的形式。
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
三、 压电材料的主要参数
（1）机电耦合系数：表征压电体的机械能与电能相互 转换能力的参数，是衡量材料压电性强弱的重要参数 之一。定义为与压电效应相联系的压电能密度与机械
第十二章 材料的压电与铁电性
2、由热运动引起的自发极化
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置， 使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用 使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时 晶体结构发生了畸变。
12 .2 热释电与铁电性能
第十二章 材料的压电与铁电性
两种极性（自发极化）晶体的比较：
由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电 场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度， 也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大 部分是一个电畴。
类12型.2：热释电与铁电性能
第十二章 材料的压电与铁电性
1、具有极性轴或本身具有自发极化的结构
- -+ - - -
+
+++++
-
-
+
正 电
+
荷- -
层
固
极 化 轴
与
有
负+
电 荷
-
+ -
偶 极 子
C
层
交
+++++
替+ +
-
-
排-
列
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
表示晶体极性链 的方法
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四、压电材料及其应用 （1）材料
钛酸钡 钛酸铅钙钛 锆酸铅矿型 钛锆酸铅 非钙钛矿型：
焦绿石、硫化镉、氧化 锌、氮化铝
（2） 应用
电声器：扬声器、送话筒、 水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器
雷达中的陶瓷表面波器件 通讯设备：陶瓷滤波器 精密测量：压力计
红外技术：红外热电探测器 高压电源：变压器