第十二章 材料的压电性能与铁电性能-材料性能学

第十二章材料的压电性能与铁电性能一.压电效应的基本原理§12-1压电性能压电效应=正压电效应+逆压电效应正压电效应：在电介质晶体上施加压应力、拉应力、切应力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。-+F+-+-F+--+逆压电效应：在电介质晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。+++---+++---+++---++--+-+-++--二.压电振子与压电方程1.压电振子及其特征频率压电振子：被复激励极化的压电晶片。薄片型极化方向薄长片极化方向厚度振动径向振动轮廓振动或长度振动横向效应沿轴向振动厚度切变振动压电振子是最基本的压电元件，它本身是弹性体，具有固定振动频率，当施加的激励信号频率等于固有振动频率时，压电振子由于逆压电效应而产生机械谐振，这种机械谐振又可借助正压电效应而输出电信号。阻抗频率反谐振谐振最小阻抗频率（最大导纳频率、谐振频率）：阻抗最小时的频率，输出的振幅和电流最大。最大阻抗频率（最小导纳频率、反谐振频率）：随信号频率增大，阻抗最大时的频率，输出的振幅和电流最小。一次泛音频率、二次泛音频率：频率继续增大，出现的谐振频率和反谐振频率。2.压电方程压电方程：反映压电体力学参量应力T、应变S和电学参量电场强度E、电位移D四个参数之间关系的方程。第一类压电方程：应力和电场强度为自变量。第二类压电方程：应变和电场强度为自变量。第三类压电方程：电位移和应力为自变量。第四类压电方程：电位移和应变为自变量。三.压电性能的主要参数介电常数对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。介质耗损压电体表面所积累的无功电荷与有功电荷的比值。弹性常数压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。压电常数压电体把机械能转换为电能或者把电能转换为机械能的转换系数，它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。机械品质因数压电体谐振时克服内摩擦而消耗的能量。机械耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量与输入能量之比的平方根，它是衡量压电材料机械能与电能互相转换能力的重要参数。三.压电材料的应用钛酸钡钛酸铅锆酸铅钛锆酸铅焦绿石硫化镉氧化锌氮化铝钙钛矿型非钙钛矿型：电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高压引线压电陶瓷点火器垫块外壳冲击块V～V2～V2输入输出伸缩振动压电陶瓷变压器§12-2热释电与铁电性能一.自发极化及其微观机制自发极化：电介质材料在没有外加电场的条件下产生的极化现象。极性晶体：固有偶极矩晶胞的规则排列，使晶体处于高度极化状态。非极性晶体：阴、阳离子偏离平衡位置，使晶体极化。钛酸钡（钙钛矿型结构）钛、氧离子的位移••••••••°°••••••••°°二.晶体的热释电效应热释电效应：晶体因温度均匀变化而发生极化强度变化的现象。逆热释电效应（电生热效应）：对热释电绝热施加电场时，温度发生变化的现象。热释电材料：钛酸铅、氧化锆、硫酸三甘肽、钛酸锂等热释电器件：红外成像传感器、来客报知器、火灾报警器等三.晶体的铁电性电介质的极化强度与施加电场呈正比：

P=oeE

铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具有明显的滞后。二者典型的关系如下图：铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）温度较高时，电极化强度与电场强度成正比。温度较低时，电极化强度与电场强度不成正比，而是滞后于电场强度的变化，形成电滞回线。铁电晶体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。铁电晶体的两大类：有序—无序型铁电体（自发极化同个别离子的有序化相联系）；位移型铁电体（自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系）。铁电畴：电畴结构外电场作用下，180o畴的反转不产生应变，而非180o畴的反转则由于受到相邻畴的约束而产生应变。BaTiO3中的电畴结构铁电电容器的应用独石电容器结构图陶瓷介质中间Ni电极底层Ag电极

PbAg内电极片式结