电介质材料-压电热释电铁电介质材料

逆压电效应：
逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下 发生电极化时，则会产生应变，其应变值与所加电场的强 度成正比，其符号取决于电场的方向。
有正压电效应的晶体必然有逆压电效应，正压电常数数与 逆压电常数必然相等，且一一对应。
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极化面
能量的转换
F
Q
逆压电效应
机械能 压电介质 电能
正压电效应
② 热释电效应：具有自发极化，晶体可以因温度变 化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效 应
③ 铁电效应：具有自发极化，且自发极化方向能随 外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是 具有电滞回线。
热释电效应与铁电效应的区别
两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自
发极化偶极矩发生变化，即热释电效应；
1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放
在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他
们所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠－
NaKC4H4O6．4H2O)。
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1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理， 推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一 预言很快就被居里兄弟用实验所证实。
1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水下发射和接收 换能器，这是最早的压电换能器，并用于探测水下的物体。
1917年 美国贝尔（Bell）实验室的A.M. Nicolson制成压电拾 音器和扬声器，并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。
1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械谐振频率特有 的电性能。
第九章 电介质材料
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电介质材料
电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电 阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的 方式呈现其电学性能的物质。 电介质材料的主要效应： 压电性-------压电效应 热释电性-----热释电效应 铁电性--------自发极化与铁电体
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① 压电效应：在晶体上施加压力、张力、切向力时， 则发生与应力成比例的介质极化。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
主要内容
一、概述 二、研究史 三、基本原理 四、性能参数 五、典型的压电材料 六、应用
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一、概述
压电效应：除了电场产生极化外，在某些电介质晶体中， 还可以通过纯粹的机械作用（拉压力、压应力或切应力） 而发生极化，出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外 力成比例。
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压电效应：
正压电效应：
材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极 化，其值与应力的大小成比例，其符号取决于应力的方向。 外力撤掉后，又重新回到不带电的状态。
2.有机压电材料
高分子压电材料：如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜），这 类材料材质柔韧，可做极薄的组件，需极高的极化电场
3.复合压电材料
这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、
或粉末状压电材料构成的。
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二、压电材料的历史
早在世纪前，锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质， 当电气石投入热的灰烬当中时，这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几 分钟之后排斥掉它们。
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压电效应及可逆性
力→形变→电压
正压电效应
电压→形变
逆压电效应
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压电材料分类
1.无机压电材料
压电单晶：是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。 这种晶体结构无对称中心，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、 锗酸锂等。水晶（α -石英）是一种有名的压电晶体。
压电陶瓷：压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆 钛酸铅PZT等。抗酸碱，易制成任意形状。需高压极化处理。
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利用压电效应，有了一种声-电，电-声转换的 两用器件，可以当话筒用：对压电陶瓷片讲话， 使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的 眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极 就会有音频电压输出。
相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片 的两极，由于音频电压的极性和大小不断变化， 压电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气 形成声音，这时候，它又成了喇叭。
1919年 用罗息盐制成了电声组件，这为压电材料在通讯技术和频 率控制等方面的应用研究奠定了基础。随后罗息盐又在滤波器、换 能器和声纳等方面获得了应用。
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1947 年美国的 Roberts 发现了钛酸钡（BaTiO3）的压电性，使 得多晶材料得到发展。获得压电性所需的极性可以通过暂时施加电 场的方法，从一块各项同性的多晶陶瓷得到。
自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即
铁电效应。
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3.1 压电材料
高
气体喷嘴
压
引
线
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
压电蜂鸣器
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压电陶瓷因受力形变而产生电的效应
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压电陶瓷片，它利用压电效应工作，既 可以作发声元件又可以作接收声音的元件。 而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是 它。 压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一 层厚约1mm的压电陶瓷，再在陶瓷表面 沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它 的两个电极。 现象之一：如将它弯曲，它的表面就会 出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性 也会相反。 现象之二：如在压电陶瓷片的两个电极 上施加一定电压，它就会发生弯曲，当电 压方向改变时，弯曲方向也随之改变。
采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，钛酸钡陶瓷的发现是压电材 料发展的一个飞跃，至此，压电材料形成了两大类：压电单晶材料 及压电陶瓷材料。
1969年 发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有优良的压电性后， 聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。
之后，又经过近六十多年的发展，压电材料已经从最初的压电晶体， 发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物以及压电陶瓷/聚合物复合 材料。
十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。
1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产 生电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。
1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热 电性。1817 年，法国矿物学家 René Just Heuy 第一次提到了压电 效应。