第3章铁电陶瓷1

第3章铁电陶瓷材料,铁电压电陶瓷的发展历程,1880年,J.Curie&P.Curie发现石英晶体的压电效应20世纪40年代初期，BaTiO3陶瓷的铁电性几乎在美国、日本和苏联被同时发现1947年S.Robert发现在BaTiO3陶瓷上加直流偏压，呈现强的压电效应1949年A.F.Devonshire将热力学唯象理论用于BaTiO3，使铁电宏观理论日趋完善1954年BJaffe等发现锆钛酸铅（PZT）系固溶体在多形相界附近具有良好的压电、介电性能,1965年HOuchi在PZT中掺入PMN成功地研制出三元系压电陶瓷材料（PCM），具有比PZT更优良的性能20世纪60年代NCochran等提出了铁电性起源于晶格振动软模的概念1970年前后，GHHaertling和C.ELand将掺La的PZT（PLZT）经过通氧热压工艺制成透明陶瓷，并发现其双折射和光散射可由外电场控制，使铁电陶瓷进入了过去由单晶独占的电光领域.,1997年，国际上在弛豫型铁电单晶体的研究上取得了突破性进展，成功地生长出接近实用要求的大尺寸PMN和PZN单晶体，其电致应变达到了1.7（001方向）；机电耦合系数K33高达92一95，压电常数d33达（15002500）10-12CN，储能密度达到130Jkg.1998年，张启民（Q.M.Zhang）等人用300MeV高能电子束辐照P（VDFTrFE）铁电聚合物,将这种材料转变成了弛豫性铁电体，并观察到了高达4的电致应变，其储能密度达到了200400Jkg，这一现象被称为巨电致应变现象（gainteletrostriction）。,DevelopmentalHistoryofFerroelectricceramics,1940sBirthofferroelectricceramics(BaTiO3)1950sPZTpiezoelectricceramicsdevelopedPTCeffectinBaTiO3ceramics1960sTransparentelectro-opticPLZTceramics1970sTheengineeredferroelectriccomposites1980sPMNrelaxorceramicsFerroelectricfilmspreparedbysol-geltechniques1990sStrain-amplifiedactuators(Mooniedevices,RAINBOWactuators)TheintegratedferroelectricfilmsonsiliconRelaxorsingle-crystalmaterials,PhysicaleffectApplications,HighpermittivityCapacitors(MLCs)PolarizationreversalFerroelectricfilmmemoryPyroelectricityPyroelectricsensors/detectorsElectroopticeffectElectroopticdevicesPiezoelectricityPiezoelectric/electrostrictivetransducersPTCeffectPTCthermistors,Typicalferroelectricceramics,BTBariumtitanatePZTLeadzirconatetitanatePLZTLeadlanthanumzirconatetitanatePMNLeadmagnesiumniobatePTLeadtitanatePZNLeadzincniobatePZSTLeadstannatezirconatetitanatePZLeadzirconateBSTBariumstrontiumtitanate,3.1铁电体的基本物理特性,1自发极化与铁电体感应极化：E0P,自发极化：在某些晶体中,E0P，如:在钙钛矿结构中，自发极化起因于BO6中中心离子的位移BO6氧八面体,ro+rTi=1.96O-Ti=2.005,自发极化的产生,Ps自发极化强度Ps可用电滞回线仪,或通过热释电流测得一般铁电体,Ps=0.1-10010-2C/m2BaTiO3,室温下Ps0.26C/m2,c/a=1.011PbTiO3,室温Ps0.75C/m2,c/a=1.06,一些铁电体的自发极化强度,热释电体(Pyroelectrics):具有自发极化的晶体-极性晶体极性点群:1,2,m,2mm,4,4mm,3,3m,6,6mm热释电效应:dPi=pidT(i=1,2,3)pi-热释电系数,单位:C/m2.K大多数晶体的Ps随温度的增加而下降,热释电系数为负,在热释电体中,高度极化状态,Ps很高,外场难以改变Ps方向少数,在E作用下Ps可重新定向-铁电体铁电体(Ferroelectrics):PsEPs重行定向-铁电体的最重要判据-铁电体具有许多独特性质的主要原因,铁电体的定义：凡是在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化的方向可因外电场而反向的特性称为铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体。铁电体是热释电体的一个亚族压电体(Piezoelectrics):非对称中心极性晶体一定不具有对称中心FerroelectricsPyroelectricsPiezoelectrics0,则G1与D的关系,TT0时,TTc时，介电常数满足Curie-Weiss定律，=C/T-To一级相变，TcTo,二级相变，Tc=To,为何铁电体具有高介电常数?铁电体的介电非线性?Tc处为何出现介电反常?Tc与晶体结构和离子的性质有何关系?介电常数与电畴结构有何关系?,铁电体的高介电常数,介电关系:D=0E+P介电常数铁电体具有Ps且外场下Ps易重新定向表现出高介电常数介电常数与电畴结构有关,在Tc处,诱发Ps,畴不稳定,介电常数最大,介电非线性,小信号介电常数微分介电常数,极化处理后铁电体的介电常数?,铁电体的电滞回线表明极化强度P和电场强度E之间的关系为非线性,当电场强度不