功能陶瓷材料及应用铁电陶瓷篇2ppt课件

1、 3 电滞回线电滞回线 电滞回线是铁电体电滞回线是铁电体的重要物理特征之的重要物理特征之一，也是判别铁电一，也是判别铁电性的一个重要标志性的一个重要标志一般用一般用Sawyer-Tower 电路测试电路测试Pr-the remanent polarizationlead-containing ferroelectrics: 30 40C/cm2Ec-the corcive field: from 2KV/cm to 120KV/cmTypical hysteresis loops from various ferroelectric ceramics(A) BaTiO3 capacitor (

2、B) soft PZT(C) PLZT 8.6/65/35(D) PZST antiferroelectric materalInformations obtained from a hysteresis loop: Memory or no memory High Pr relates to high interal polarizability, strain, electromechanical coupling, and electrooptic activity For the given material, larger grain size lower Ec smaller gr

3、ain size higher Ec A high degree of loop squareness indicates better homogeneity and uniformity of grain size Internal space charge/aging internal electric bias off-centered loop The sharpness of loop lips indicates a high electrical resistivity The slope of the P-E loop at any point along the loop

4、is equal to the large-signal dielectric constant单晶与陶瓷的单晶与陶瓷的电滞回线电滞回线温度对电滞回线温度对电滞回线的影响的影响BaTiO3的电的电滞回线滞回线 4 反铁电体反铁电体相邻晶格中的铁电活性离子沿反相邻晶格中的铁电活性离子沿反平行方向产生自发极化，形成两平行方向产生自发极化，形成两组反向极化的子晶格，宏观上不组反向极化的子晶格，宏观上不呈现自发极化。呈现自发极化。反铁电体的介电性质在居里点反铁电体的介电性质在居里点处也出现反常，介电常数在居处也出现反常，介电常数在居里温度以上服从居里外斯定里温度以上服从居里外斯定律律反铁电铁电相变与双

5、电滞回线反铁电铁电相变与双电滞回线 电场诱导反铁电铁电相电场诱导反铁电铁电相变变 场致相变伴随较大的应变场致相变伴随较大的应变(比逆压电效应高一个数量级比逆压电效应高一个数量级) PbZrO3是典型的反铁电体是典型的反铁电体 5 铁电相变与临界现象铁电相变与临界现象 铁电相变铁电相变-结构相变结构相变如如: BaTiO3的结构的结构相变与自发极化相变与自发极化m3m 130oC 4mm 0oC mm2 -90oC 3mPs: 001 110 111居里温度居里温度-转变温度转变温度BaTiO3的结构相变的结构相变 铁电体的临界现象铁电体的临界现象-“介电反介电反常常”介电常数反映电畴介电常数反

6、映电畴在电场下转向的难在电场下转向的难易程度易程度在在Tc下下,电畴定向电畴定向的活化能接近于零的活化能接近于零, 微弱电场足以使其微弱电场足以使其定向定向, 故介电常数故介电常数最大最大 当温度高于居里温度时，介电常数随温度的变化关系当温度高于居里温度时，介电常数随温度的变化关系遵从遵从CurieWeiss定律：定律： C / (T-To) 其中其中: -介电常数，介电常数，C-居里常数，居里常数，To-特征温度特征温度6 铁电体的功能效应铁电体的功能效应通过热力学理论可以通过热力学理论可以推导出铁电体在电推导出铁电体在电-力力-热作用下的功能效应热作用下的功能效应和功能参数的相互关和功能参

7、数的相互关系系热力学唯象理论热力学唯象理论热力学参量热力学参量: (E,D), (T,S), (,K) 基本效应电学、力学、热力学基本效应电学、力学、热力学 铁电体因具有自发极化且外电场下可反转，具有高的铁电体因具有自发极化且外电场下可反转，具有高的介电常数。介电常数。 热电耦合效应热电耦合效应热释电效应热释电效应 dPs = pdT, p-热释电系数热释电系数, C/m2K 光电耦合效应光电耦合效应电光效应电光效应 电控可变双折射效应电控可变双折射效应 电控可变光散射效应电控可变光散射效应 机电耦合效应机电耦合效应电致伸缩效应和压电效应电致伸缩效应和压电效应 电致伸缩：电致伸缩：x = QP

8、1P2, 二次非线性耦合效应二次非线性耦合效应 压电效应：压电效应：D = dX,一次线性耦合效应一次线性耦合效应 逆压电效应：逆压电效应：x = dE, 一次线性耦合效应一次线性耦合效应7 铁电体的相变热力学铁电体的相变热力学 Devonshire 把把Landau的相变热力学理论推广应用到的相变热力学理论推广应用到铁电相变，序参量铁电相变，序参量P 基本思路：基本思路： (a) 将将Gibbs自由能自由能G(或弹性自由能或弹性自由能G1)按按P展开展开 G1= 1/2g2P2+1/4g4P4+1/6g6P6 (b) 相变平衡状态，相变平衡状态，G1取极小值取极小值 (c) 求解，并按指前项

9、的符号分析求解，并按指前项的符号分析G1随随P的变化规律的变化规律Gibbs 自自有有能能展展开开式式：G(P, , E) = -EP + g0 + 21 g2P2 + 41 g4P4 +61 g6P6+式式中中，gn为为温温度度的的函函数数，可可由由实实验验确确定定。1/2, 1/4, 是是为为运运算算方方便便引引进进的的。当当体体系系处处于于热热平平衡衡时时，要要求求（PG） = 0, 即即GP = （PG）= -E + g0 + g2P+ g4P3 + g6P5+G”P = 22PG = g2 + 3g4P2 +5g6P4 + 由由上上式式即即可可得得出出电电场场 E 中中的的平平衡衡极

10、极化化强强度度。当当E 0时，时，P Ps，去高次项后，去高次项后，GP可改写为：可改写为：GP = Ps (g2 + g4Ps2 + g6Ps4) = 0Ps = 0 为上式的一个解，为上式的一个解， 对应于对应于 c, 晶体不存在自发极化的情形晶体不存在自发极化的情形若使括号内方程等于零，那么若使括号内方程等于零，那么:662244242gggggPs在在g4 0, g42 g2g6及及g4 0时，可得时，可得Ps 0的解，对应于的解，对应于 c时，晶体呈现自发极化，显示铁时，晶体呈现自发极化，显示铁电性。电性。必需：必需：g6 0, 因如因如g6 0g4 0，g6 0g6 0）g2g2与

11、温度呈线性关系，引入：与温度呈线性关系，引入：g2 = (-0),g2 = (-0),（该假定实际上（该假定实际上是表明顺电相的介电常数的变化复合是表明顺电相的介电常数的变化复合Curie-WeissCurie-Weiss定律），略去定律），略去g6g6项，项，Ps(-0) + g4Ps2 = 0Ps(-0) + g4Ps2 = 0即：即：Ps Ps 0 0或或 （1 1）当当00时，外加电场时，外加电场E E0 0，仅有实根为，仅有实根为PsPs0 0，此时，此时00为居里温度为居里温度cc（2 2）当当00, GibbsP0, Gibbs自自由能的极小值出现在由能的极小值出现在2140)(

12、gsP6421661441221,)(gsgsgsTpGPPPk熵变：熵变：g2 = (-0), g4g2 = (-0), g4、g6g6与温度与温度无关，无关，k = -1/2 k = -1/2 Ps2Ps2当当00时，时，PsPs0 0，k=0,k=0,说明说明cc时熵变为时熵变为0 0，即无滞热，即无滞热比热变化：比热变化：422gcC 二级相变的特征二级相变的特征: Tc处，处，Ps连续变化，无潜热，比热突变连续变化，无潜热，比热突变一级相变一级相变g40）Ps(-0)- g4 Ps2 + g6Ps4=0(1)当当0时，有两个实根时，有两个实根 Ps0，在在Ps0处，处，Gp=0, G

13、p”0, Gibbs自由能出现极小值；自由能出现极小值；在处，同样在处，同样Gp=0, Gp”0, Gibbs自由能也出现极小值，两个极小值自由能也出现极小值，两个极小值相等，所以在转变温度相等，所以在转变温度c时，铁电相和非铁电相共存，其自由能相时，铁电相和非铁电相共存，其自由能相等。等。（2）当当0, Gibbs自有能出现极小值。自有能出现极小值。642ggsP 662244242gggggPs特征温度：特征温度：6241630ggc对于对于BaTiO3, c = 0+7.7 (K) 一级相变特征：一级相变特征： Ps突变，有相变潜热，比热突变突变，有相变潜热，比热突变总结总结: 铁电体的特征与临界现象铁电体的特征与临界现象存在存在Ps, 在在E 下下Ps可重行定向可重行定向电畴与