8.2 介电-压电-铁电 2014.12.5

这些束缚电荷 只有被极化后才可能去影响材料的性能。 什么是极化呢
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8.2.1.1 介电常数
1.
极化强度与电场强度的关系（书上P.386） 8.2.1.5 在各向同性的线性电介质中, 极化强度P与电场强 度E成正比，且方向相同，即： D = εE=ε0E+P 极化强度：P = χε0E （8-2-17） （书上P.386） （8-2-17’）
1、在水声技术中的应用（声纳） 发射换能器：用硬性材料； 接收换能器：软性材料 2、在超声技术中的应用 3、在高电压发生装置上的应用 4、在滤波器上的应用（电视机，红外探测器） 5、在电声设备上的应用（发烧友所用专业音响）
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医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头 的医用超声仪； 煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器，吸 烟-打火机； 电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话 等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；
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BaTiO3的晶体结构
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压电材料的发展及其应用
1950年后，发现了压电PZT(钛酸锆酸铅)体系，具有非 常强而稳定的压电效应，有重大实际意义的进展。 1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优 的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。
今天，氧化铅含量高达68-70％的PZT-钛酸锆酸铅仍
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（1） 电偶极子
（书上P.383）
图 8-2-2
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（2） 电偶极距

（书上P.383）
电偶极子的特征用电偶极距来描述 电偶极距：μ＝lq， (8-2-7) 其中 l是两点电荷之间的位移矢量， l的绝对值就 是两点电荷之间的距离（距离是标量）。 l和μ的方向规定由－q指向＋q。
第14章 材料的电学性能之 导电性能、热电性能 回顾
导电性能：电导率 σ= nqµ，载流子的浓度、迁移率 载流子： 电子、电子空穴＋正离子、负离子、正离子空穴、负离 子空穴 金属、离子晶体、半导体的导电 超导电性： 1. 完全导电性 2. 完全抗磁性 3. 第一、第二类超导体

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d33是压电介质把机械能（或电能）转换为 电能（或机械能）的比例常数。 d33反映了应力（T）、应变（S）、电场 （E）或电位移（D）之间的联系， 直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电 效应的强弱，从而引出了压电方程。
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9. 压电陶瓷材料的应用
G P =

∑
μ
G
ΔV
μ ∑ P=
ΔV
极化强度的单位为库仑/米2 (C/m2)
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参比--磁化强度

一个物体（磁性材料）在外磁场中被磁化的程度， 用单位体积内磁矩多少来衡量，称之为磁化强度M 。 若 物质被均匀磁化，在但单位体积V内含有磁矩 （m=I×S）则由定义可得：磁化强度M为：

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介电常数

表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电 常数，用ε表示，相对介电常数εr 无量纲。

ε0：真空绝对介电常数 8.8×10-12 F/m
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8.2.1.2 极化的概念

在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上 作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的 相对偏移，产生感应偶极矩。 在外电场作用下，电介质内部感生偶极矩的现象， 称为电介质的极化。


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用压电陶瓷做成的压电引信，可以精确引燃引 爆破甲弹等杀伤性武器；

再如压电陶瓷制作的压电陀螺，是航空航天不 可或缺的“舵手”等等。
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声纳探防武器

“声纳”是声音、导航、测距三个英文字母的缩略 语。 它的主要作用是探测潜艇和防止潜艇的攻击，或 者对潜艇进行攻击。 特别是60年代出现核潜艇以来，声纳探防武器 发展也日新月异了。
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（a）晶体不受外力时（b）晶体受到压缩（c）晶体受到拉伸 图14.11 压电效应机理示意图 （P.270）
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压电效应 示意图
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3. 产生压电效应的必要条件

产生压电效应的必要条件是： 晶体的非中心对称性 晶体没有对称中心
• 晶体在受到外电场激励下产生材料内部的应力 改变-甚至发生形变，这种由电效应转换成机械 效应的过程称为逆压电效应。

力→形变→电压 电压→形变（应力改变）
正压电效应 逆压电效应
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¾ 8. 压电常数d

压电常数是反映力学量（应力或应变） 与电学量（电位移或电场）间相互耦 合的线性响应系数。
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电畴

所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的 取向都一致。

因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为 铁电体。
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电畴
ferroelectric domain
铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm； 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 两种：90°畴壁和180°畴壁


M = ∑m /V
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8.2.1.4 极化的基本形式
1）位移极化：
(书上P.384)
3）
1）
注意: 介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。
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接下来我们将介绍
8.4 8.3
压电性能 铁电性能
我们先介绍
¾ 8.4 压电性能 ¾ 压电材料
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超导材料的重要指标

1. 零电阻
2. 完全抗磁性 临界温度（TC） 临界电流密度（JC） 临界磁场（HC）
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第I类，第II类超导体
1. 2. 3.
第I类超导体 理想第II类超导体 非理想第II类超导体。
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如何检验材料的超导性？
其中：χ---电介质的极化率。 ε0 ---真空介电常数
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2. 介电常数

介电常数：综合反映电介质极化行为的物理量。 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原 外加电场与最终介质中电场比值即为 相对介电常数： εr＝E外加/E介质 绝对介电常数： ε= εr ε0

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8.2.1.3 极化的量度 电介质中极化的强弱问题
电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的 程度，排列愈有序说明极化愈强烈。 电偶极子-电偶极距（有点像小磁子-磁矩）
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极化强度--极化的量度

电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极 化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：
B O
A
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铁电材料

铁电体的定义是指： 在某温度范围内具有自发极化且极化 强度可以因外电场而反向的晶体。
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铁电体的特点

一是具有 许多电畴; 二是具有 电滞回线; 三是具有 居里温度。
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一、铁电体的电畴
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1. 压电材料的发展及其应用
1880年，由雅克·居里（JacquesCurie）和皮埃尔·居里 （PierreCurie）兄弟首先在单晶上发现压电效应。 1940年前，人们已经知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸 二氢钾盐，均具有压电性。 1947年，美国人Roberts发现了BaTiO3具有较强的压电 效应。是压电材料发展的一个飞跃。

电介质 什么是电介质
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电介质是分布极广的一系列物质的统称。 电介质是以感应而不是以（σ）传导的 方式来传递电的作用。
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导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形 成传导电流（σ） 。 但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电 荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束 缚着，通常称为束缚电荷。
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集成铁电学

20世纪70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得 铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。 80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用于制作 铁电存储器使得铁电体的光学效应在更广阔的科技领 域加以利用。


80年代以来，大规模集成电路的制备技术--集成技术 得到了迅速发展。大规模集成电路的刻饰线度小到了 0.13微米。实验室技术0.09微米-出现了宏观量子隧 道效应。
1. 2. 测量零电阻-四电极法 测量完全抗磁性
L A I V2 R1 V1
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烟台大学，环境与材料工程学院，材料系 王卓
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8.2.1 介电性及电介质的极化 8.2.1.2 极化的概念 8.2.1.4 极化的基本形式 8.2.1.5 介电常数
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Leabharlann Baidu
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4. 压电晶体的对称中心
在32个点群中有：
1. 2.
没有对称中心的点群：21种 其中20种具有压电性， 仅有432点群（点群的国际符号）没有压电性。 具有对称中心的点群：11种，没有压电性
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5. 电介质材料分类
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水底使用声纳的原因

原因是，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸 弹，在两万公里外可以收到信号。 光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈 的海水中，人们也只能看到十几米到几十米 内的物体。

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电介质-介电材料 压电性能
何谓铁电性能
P.272-图14.14 介电-压电-铁电的关系


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朗之万发明军用声纳

世界上第一部军用声纳-主动式声呐是法国著名 理学家保罗·朗之万发明的。运用于“二战”对德军 潜艇的探测。 这种声纳当时也叫“回声定位仪”和“水声换能 器”，一般都可以收发两用。

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问题
海洋中，使用水声声呐 为什么不使用光探测器
在大量使用。
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2. 压电机理与压电常数 （P.270，第4行）
压电效应产生的根 源是晶体中离子电荷 位移。 不施加应力时，电 荷在晶格位置上分布 对称的，所以其内部 场为零。
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施加应力---电荷发生位移

但当给晶体施加应力则 荷发生位移，如果电荷 布不再保持对称就会出 净极化，并将伴随产生 个电场，这个电场就表 为压电效应。
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8.3 材料的铁电性
（书上 P.393）
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关于铁电材料的提问

铁电材料有着很神奇的功能和广泛的应用。 铁电材料有何特点?又是怎样制备的？
（环材082-2 贾兴冠提问）
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1 铁电性的定义
铁电体(ferroelectrics)是电介质的一个亚类,其 基本特征是具有自发极化并且这种自发电极化可以 外电场作用下改变方向。 这两点即是铁电体（材料）、又是铁电性的定义。
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6. 正压电效应
机--电转换
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正压电效应 机--电转换

晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电 荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性 系， 这种由机械效应转换成电效应的过程称为正 电效应。

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7. 逆压电效应 电--机转换
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1 钙钛矿结构

目前得到广泛使用的铁电材料， 许多都是以钙钛矿结构为主的。
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钙钛矿结构的通式为ABO3 ,以BaTiO3为例讨论其结构:
P.394-图8-3-2
Ba2+
O24+
Ti
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钙 钛 矿 晶 体 结 构
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BaTiO3的晶体结构 BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和三方相 等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方相、斜方相和 三方相为铁电相，立方相为顺电相。 ＞130℃，立方晶胞 0℃～130℃，四方晶胞 -90℃～0℃，斜方晶胞 ＜-90℃，三方晶胞
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