材料性能学第十二章 材料的压电性能与铁电性能

为什么用实验方法很难发现具有自发极化的晶 体所带电荷
因为自发极化建立的电场吸引了晶体内部和外 部空间的异号自由电荷，在晶体表面形成一个 表面电荷层，结果自发极化建立的表面束缚电 荷被吸引来的表面自由电荷所屏蔽．但是，改 变温度或者施加应力产生变形时，由于离子间 距和键角发生变化，自发极化强度Ps也将发生 变化。这时被自发极化束缚在表面的自由电荷 层就有一部分可以恢复自由而释放出来，使晶 体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流。 这就是热释电效应和压电效应．
铁电体的特性
✓电滞回线
✓居里点
✓具有临界特性
电滞回线
✓ 铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作 用下运动的宏观描述
✓ 反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但 在很强的外电场作用下，可以诱导成铁 电相，其P－E呈双电滞回线。
居里温度
由热力学定律可知，压电晶体的Gibbs自由能可 表达为
G=U-TS-TiSi-EiPi 式中：G为Gibbs自由能；U为内能；T为绝对温 度；S为熵;Ti为应力;Si为应变;Ei为电场强度；Pi 为极化强度．若不施加应力时，则有
压电效应机理示意图
压电性能的主要参数(自学)
介电常数 介质损耗 弹性系数 压电常数 机械品质因素 机电耦合系数
压电材料及其应用
上世纪自40年代中期出现了BaTiO3陶瓷以 后，压电陶瓷的发展较快。两个分支：一是 晶体和陶瓷材料；另一是柔性材料（高分子 聚合物）。 有钛酸钡 、钛酸铅 、锆酸铅 、锆钛酸铅 、 其它压电陶瓷材料
2．热释电性能表征 热释电效应的强弱可用热释电系数
来表示．
P pT
P为热释电系数，单位 为C·cm-2·K-1
热释电系数的种类
当晶体处于夹持状态时，由于晶体受热其尺寸和形 状不变，所以，称这种状态下的热释电系数为恒应变 热释电系数或一级热释电系数pS．
当晶体处于自由状态时，由于晶体可以自由膨胀和 收缩，所以，这种状态下的热释电系数称为恒应力热 释电系数pT．
应用
用于电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等； 用于水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等； 用于雷达中的陶瓷表面波器件； 用于导航中的压电加速度计和压电陀螺等； 用于通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等；
应用
用于精密测量中的陶瓷压力计、压电流 量计、压电厚度计等； 用于红外技术中的陶瓷红外热电探测器； 用于超声探伤、超声清洗、超声显像中 的陶瓷超声换能器； 用于高压电源的陶瓷变压器。
热释电材料的应用
红外成像传感器、来客报知器、火灾报警器等. 在工业上，可用于非接触测量旋转体和高温体的温 度，以及进行非破坏性检测，还可装备在卫星上监 测环境污染和进行资源调查．
三、晶体的铁电性 1．铁电体的特性
在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度 范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能 的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下， 其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性，具有 这种性质的晶体称为铁电体。
当晶体处于恒应力状态时．由温度所引起的形变通 过正压电效应使晶体产生附加的极化改变．一般将这 种由于正压电效应对热释电系数的贡献称为二级热释 电系数p′
恒应力热释电系数等于一级热释电系数和 二级热释电系数之和，即
piT piS pi'
利用热释电效应可制成性能良好的红外敏感元件．其对 热释电材料的要求是： ①能充分吸收入射的红外线；
▪ 反之，在一定方向的电场作用下，则会产生外形 尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度 成正比，称为逆压电效应
压电效应
晶体压电效应的本质：
Байду номын сангаас
因为机械作用（应力与应变）引起了 晶体介质的极化，从而导致介质两端 表面内出现符号相反的束缚电荷。
-
-
（a）
-
-
+
-+ -
-
-
+
（b）
+-
-
+
+-
-
-
-
（c）
材料性能学
第十二章
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
压电效应 压电振子与压电方程 压电性能的主要参数 压电材料及其应用
压电效应
压电性的定义: 压电性是指某些晶体材料按所施
加的机械应力成比例地产生电荷的能 力。
压电效应
压电效应:
▪ 对压电晶体在一定方向上施加机械应力时，在其 两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电 荷；作用力相反时，表面荷电性质亦反号，而且 在一定范围内电荷密度与作用力成正比，称为正 压电效应
G＝U-TS-PE 而熵S与配位数ω间的关系为
S＝K1nω
温度达到某一温度以上时，由于热运动的结果， 偶极子从电场的束缚中解放出来，使自由能G 下降．这个临界温度就是居里温度Tc．在温度 高于居里点时，自发极化为零，晶体不具有铁
电性，称为非铁电相或顺电相．在居里点以下，
由于存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电
相．当晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺 电—铁电相变温度才称为居里点．晶体从一个 铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温 度或过渡温度．
②为了使吸收的单位热能对应大的温度上升幅度，热释电 材料体比热应小，且方便加工成微型或薄膜化元件； ③跟温度对应的表面电荷变化大，即热释电系数p大，室 温下的Ps值大，Tc(居里温度)适当高时，热释电系数p变 大(Tc低使工作温度受到限制，且热释电系数p的温度变化 也大)； ④与表面电荷变化相应的电容小，即材料的介电量小； ⑤构成噪声源之一的介电损耗角正切tanδ小．
二、晶体的热释电效应 1．热释电效应及其产生条件
晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象 称为晶体的热释电效应
对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变 化，这种效应称为逆热释电效应或电生热效应．
产生条件：
具有自发极化(固有极化)的晶体
晶体结构的极轴与结晶学的单向重合
具有对 称中心 的具有 压电性 的晶体 不可能 有热释 电效应。
第二节 热释电与铁电性能
一、自发极化及其微观机制
在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心 不相重合，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下。这 种极化状态是在外电场为零时自发产生的， 因而称为自发极化。具有自发极化的晶体 必然是个带电体，其电场强度取决于自发 极化强度。