第二章 介电、压电材料-新

第二章介电 压电材料 一 介电材料 电荷在电场中发生微小位移的性质叫做介电性质 dielectricproperty 介电材料又叫电介质 dielectrics 是以电极化为特征的材料 介电材料的分类和相互关系 本章的重点 介电 压电材料 铁电材料的概念 机理及应用 电极化 electricpolarization 是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象 当被置于两块带有等量异性电荷的平行极板间的电场中时 由于极化而在介质表面产生极化电荷 电极化 极化的示意图 电极化的分类 电子极化 electronicpolarization 电场中电子对原子核产生较小的位移而形成的电极化 也叫畸变极化 离子极化 ionicpolarization 电场中正负离子的相对位移而形成的电极化 也称位移极化 取向极化 orientationpolarization 偶极子沿着电场方向趋向与外电场一致方向而形成的电极化 转向极化 介电性是指在电场作用下表现出对静电能的储蓄和损耗的性质 通常用介电常数和介质损耗来表示 分子极化率一般由电子极化率 原子 离子 极化率和取向极化率三部分构成 a ae aa au 介电材料的特征值 原子和离子的极化率 单位10 25cm3 2 极化强度介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和 4 动态介电常数电介质分子的极化需要一定的时间 完成极化的时间叫弛豫时间 其倒数称弛豫频率f 电子极化的频率约为1015Hz 相当于紫外频率 原子 离子 极化约为1012Hz 处于红外区 取向极化在10 1010Hz之间 处于射频和微波区 在交变电场作用下 由于电场频率不同 极化对电场变化的反应也不同 当频率小于10 1010Hz时 三种极化都可建立 当1010 f 1013Hz 取向极化来不及建立 当1013 f 1015Hz时 离子极化也来不及建立 只有电子极化能建立 这叫极化滞后 因此 极化强度与交变电场的频率有关 在交变电场中 由于极化滞后 介电常数要用复数表示 又叫动态介电常数 电场变化特别快时 介质的极化就会最追随不及而滞后 引起介质损耗 dielectricloss 上式中虚部跟电介质在交流电场中单位时间里的能量损失成比例 极化强度和电场频率 原子和离子的电子位移形成的极化比分子偶极子的转向形成的极化快 因此电子极化对外电场的反应最快 偶极子最慢 5 介电损耗W在交变电场 在每秒内每立方米电介质消耗的能量称介电损耗 电阻率超过10欧 厘米的物质归于电介质 电介质的带电粒子是被原子 分子的内力或分子间的力紧密束缚着 因此这些粒子的电荷为束缚电荷 在外电场作用下 这些电荷也只能在微观范围内移动 产生极化 在静电场中 电介质内部可以存在电场 这是电介质与导体的基本区别 电介质包括气态 液态和固态等物质 能产生电极化现象的物质统称为电介质 电介质的电阻率一般都很高 绝缘体 有些电介质的电阻率并不很高 但由于能发生极化 也归入电介质 介电材料用于电工绝缘材料或电容器材料 介电材料的应用 6 电导率 一般电介质或多或少有些电导率 其来源为漏电电导率和位移电导率 7 击穿电压U电介质承受的电压超过一定值后 就丧失电介质的绝缘性 这个电压叫做击穿电压 电容器 condensare 拉丁 capacitor 英 是一种容纳电荷的器件 是电子设备中大量使用的电子元件之一 广泛应用于隔直 耦合 旁路 滤波 调谐回路 能量转换 控制电路等方面 电容器的定义 在直流电路中 电容器是相当于断路的 在交流电路中 因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的 而电容器充放电的过程是有时间的 这个时候 在极板间形成变化的电场 而这个电场也是随时间变化的函数 实际上 电流是通过场的形式在电容器间通过的 通交流 隔直流 电容器的基本功能 充电和放电 电容器及其介质材料表示方法 气体电介质中空气是最常用的天然电介质 非极性气体 如He H2 N2 O2和CH4等 和极性气体 如HCl NO等 还有混合气体如空气等 液体电介质 非极性和弱极性液体 如CCl4 苯 二甲苯 汽油 煤油和变压器油等 和极性液体 如三氯联苯 乙醇和水等 固体电介质 非极性 金刚石 硅和硫等晶体 非极性的陶瓷及非极性高聚物如聚乙烯 聚四氟乙烯等 和极性 LiF NaCl KCl TiO2等晶体和极性高聚物如聚氯乙烯等 2 介电材料的种类 二 铁电材料 用于压电 光电材料 1 铁电体的定义 铁电体指在某温度范围内具有自发极化且巳极化强度可以因外电场而反向的晶体 铁电体具有电滞回线 铁电体还有 个特点就是它具有许多电畴 domain 代表性的材料 BaTiO3和Pb Zr Ti O3 所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的趋向都一致 因此 凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体 其实晶体中并不含铁 极化前 加电场后极化 去掉电场后保持极化状态 铁电体有许多电畴 不同的电畴之间永久偶极矩的取向不一致 当无外电场时 电畴无规则 所以净极化强度为零 而当施加外电场时 与电场方向一致的电畴长大 而其他电畴变小 因此 极化强度随电场强度变大而变大 极化强度与外加电场形成电滞回线 2 铁电体的特性 多晶铁电体的电滞回线 单晶铁电体的电滞回线 晶体整体的极化 BaTiO3的结晶结构 BaTiO3的极化后的结晶结构 单晶铁电体极化强度随电场强度变化的模式图 居里温度Tc Curietemperature 是铁电相与顺电相的相转变温度 钦电相是极化有序状态 顺电相是极化无序状态 当铁电体温度T Tc时 铁电现象即消失 当TTc时 处于顺电相 铁电体的介电常数不是常数 而是依赖于外加电场 一般以P E曲线在原点的斜率来代表介电常数 即在测量介电常数时 所加的外电场很小 铁电体在发生相变的过渡温度附近时 介电常数具有很大的值 T Tc时 介电常数 1 软铁电体 永久偶极子只能沿一个晶轴方向极化 是无序一有序型铁电体 order disorderferroelectrics 它从顺电相到铁电相的过渡是从无序到有序的相变 其中有 NaNO2 罗息盐 KNaC4H4O6 4H2O 3 铁电体的种类 按照铁电体极化轴的多少 可将铁电体分为两类 NaNO2的铁电相的结晶结构 顺电相的NO2分子 极化后的NO2分子 无序一有序型铁电体永久偶极子的极化受温度的影响而变化 低温时 趋向排列而产生比较大的极化 高温时 偶极子变得杂乱无序 变成顺电体 Paraelectrics 2 硬铁电体 可以沿几个晶轴极化的铁电体 这些晶轴在非铁电相中都是等价的 也称为位移型铁电体 displacivetypeferroelectrics 顺电相的结晶结构 铁电相的结晶结构 各种铁电材料的居里温度 高温相 低温相 低温时 离子从平衡位置偏离产生铁电性 高温时 因格子震动离子受到返回平衡位置的力 失去极化 变成顺电体 反铁电体 antiferroelectrics 是一些离子晶体 它的相邻列或列上的离子沿反平行的方向自发极化 4 反铁电体 三 压电材料 利用逆压电效应 发展了一系列电致伸缩材料 没有对称中心的晶体受到机械应力作用处于应变状态时 材料内部会引起电极化和电场 其值与应力的大小成比例 其符号取决于压力的方向 这种现象称为正压电效应 piezoelectriceffect 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 此现象称为逆压电效应 具有压电效应的材料叫做压电材料 通过压电材料可将机械能和电能相互转换 1880年法国居里兄弟 弟弟是居里夫人的丈夫 发现石英的压电效应以来 已发现各种压电效应的晶体 薄膜 陶瓷 高聚物和复合材料 压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移 当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的 所以其内部电场为零 但是当给晶体施加应力则电荷发生位移 如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化 并将伴随产生电场 这个电场就表现为压电效应 拉伸 产生上正下负的电压 压缩 产生下正上负的电压 收缩 加上正下负的电压 伸长 加下正上负的电压 1 压电效应的机理 压电 应力 常数 压电 应变 系数表示压电效应的重要特征值 弹性模量 压电晶体是弹性体 服从于虎克定律 在弹性限度内应力与应变成正比 压电晶体具有压电效应 因此在不同电学条件下 有不同的弹性模量 所有晶体在铁电态下也同时具有压电性 即对晶体施加应力 将改变晶体的电极化 但是 压电晶体不同时具有铁电性 石英是压电晶体 但并非铁电体 钦酸钡既是压电晶体又是铁电体 2压电材料的特征值 不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的 压电常数 当压电材料产生正压电效应时 施加应力将产生额外电荷 发生极化 其极化强度Pi和应变之间的关系表示如下 Px Py Pz 分别为在垂直于x轴 y轴和z轴的表面上产生的总的电荷密度 xx yy zz 表示晶体分别沿x轴 y轴 z轴方向所受的外力分量产生的拉或压应力 yz zx xy 为剪切应力分量 晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定 压电 应力 常数 压