铁电功能材料

1、第五章第五章 铁电功能材料铁电功能材料 2021-8-72 电介质功能材料电介质功能材料 介电材料介电材料 铁电材料铁电材料 压电材料压电材料 敏感电介质材料敏感电介质材料 电电 功功 能能 材材 料料 电导体功能材料电导体功能材料 导电材料导电材料 快离子导体快离子导体 电阻材料电阻材料 超导电体超导电体 2021-8-73 铁电陶瓷材料铁电陶瓷材料 铁电体铁电体(ferroelectrics)(ferroelectrics)是电介质的一个亚类是电介质的一个亚类, , 其其基本特征基本特征是是具有自发电极化并且这种电极化可以具有自发电极化并且这种电极化可以 在外电场作用下改变方向在外电场作用

2、下改变方向。由于自身结构的原因，。由于自身结构的原因， 铁电体同时具有铁电体同时具有压电性和热释电性压电性和热释电性，此外一些铁电，此外一些铁电 晶体还具有非线性光学效应、电光效应、声光效应、晶体还具有非线性光学效应、电光效应、声光效应、 光折变效应等。铁电体这些性质使它们可以将声、光折变效应等。铁电体这些性质使它们可以将声、 光、电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功光、电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功 能材料。能材料。 2021-8-74 具有自发极化，且自发极化能够为外电场所转向的具有自发极化，且自发极化能够为外电场所转向的 一类材料，称为一类材料，称为铁电材料铁电材料。 铁电

3、材料的介电常数可高达铁电材料的介电常数可高达10103 310104 4（普通电介质的介电常数（普通电介质的介电常数 仅为几十），具有功能多、用途广、品种繁多的特点。仅为几十），具有功能多、用途广、品种繁多的特点。 利用其高介电常数的特点，可以用于制作小体积、大容量的低频利用其高介电常数的特点，可以用于制作小体积、大容量的低频 电容器，广泛应用在滤波、旁路、隔直等电子线路中。电容器，广泛应用在滤波、旁路、隔直等电子线路中。 利用其压电特性，可以用于制作压电陶瓷谐振器、滤波器、压电利用其压电特性，可以用于制作压电陶瓷谐振器、滤波器、压电 传感器、超声换能器、压电变压器等电子元器件。传感器、超声换

4、能器、压电变压器等电子元器件。 70 70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得铁电体的光学效应在年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得铁电体的光学效应在 更广阔的科技领域加以利用。更广阔的科技领域加以利用。 80 80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用于制作铁电存储器使年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用于制作铁电存储器使 得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。 目前得到广泛使用的铁电陶瓷材料，几乎都是以钙钛矿结构为主的目前得到广泛使用的铁电陶瓷材料，几乎都是以钙钛矿结构为主的 固溶体陶瓷。固溶体陶瓷。 铁电材料铁电材料 ferroelec

5、tric materials 1.11.1、基、基 本本 概概 念念 2021-8-76 1 1 极化极化 polarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的 现象，称为现象，称为电介质的极化电介质的极化。 2 2 自发极化自发极化 spontaneous polarization 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的 极化，称为极化，称为自发极化自发极化。 在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化

6、电荷量称为在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强自发极化强 度度。 单位面积的极化电荷量称为单位面积的极化电荷量称为极化强度极化强度，它是一个矢量，用，它是一个矢量，用P P表示，其单表示，其单 位为位为C/mC/m2 2。 3 3 介电常数介电常数 dielectric constant 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数介电常数，用，用表示，无量纲。表示，无量纲。 2021-8-77 材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一 类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响类是

7、以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响 应，这类材料称为应，这类材料称为导电材料导电材料。另一类以感应的方式。另一类以感应的方式 对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩 或电偶极矩的改变，这类材料称为或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质电介质，这种现，这种现 象称为电介质的极化。象称为电介质的极化。 电介质的极化与铁电性电介质的极化与铁电性 2021-8-78 v 电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大 类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的 正负电荷

8、重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在 外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶 极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个 分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩，分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩， 它与铁电性有密切关系。它与铁电性有密切关系。 电介质的极化与铁电性电介质的极化与铁电性 2021-8-79 介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的 内在联系。内在联系。 晶体可分为晶体可分为7 7大晶系，大晶系

9、，3232种种点群。其中有点群。其中有2020种种点群点群 不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性形变而改变，不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性形变而改变， 因而具有压电性并称为因而具有压电性并称为压电体压电体。在压电体中具有唯一极轴。在压电体中具有唯一极轴 （又称为自发极化轴）的（又称为自发极化轴）的1010种种点群可出现自发极化，即在点群可出现自发极化，即在 无外电场存在的情况下也存在电极化。它们因受热产生电无外电场存在的情况下也存在电极化。它们因受热产生电 荷，故称为荷，故称为热释电体热释电体。在这些极性晶体中，因外加电场作。在这些极性晶体中，因外加电场作 用而改变自发极化方向的晶体

10、便是用而改变自发极化方向的晶体便是铁电体铁电体。因此，凡是铁。因此，凡是铁 电体必然是热释电体，而热释电体也必然是压电体。电体必然是热释电体，而热释电体也必然是压电体。 2021-8-710 铁电体的定义：铁电体的定义： 是指在某温度范围内具有自发极化且极是指在某温度范围内具有自发极化且极 化强度可以因外电场而反向的晶体。化强度可以因外电场而反向的晶体。 铁电体的两个特点是：铁电体的两个特点是： v一是具有电滞回线，一是具有电滞回线， v一个是具有许多电畴。一个是具有许多电畴。 所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一 致。因此凡具有电畴

11、和电滞回线的介电材料就称为铁电体。致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。 1.2、晶、晶 体体 结结 构构 2021-8-712 1. 铁电铁电材料材料的钙钛矿结构的钙钛矿结构 ABO3型钙钛矿结构钙钛矿结构 钙钛矿结构以钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁的结构为代表，许多铁 电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有 钙钛矿结构，如：钙钛矿结构，如： BaTiO3, PbZrO3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 2021-8-

12、713 ABO3型钙钛矿晶胞结构型钙钛矿晶胞结构 2021-8-714 v离子离子A、B、C的半径的半径RA、RB、RO满足下列关系才满足下列关系才 能组成能组成ABO3结构：结构： RA+RO=2 t （RB+RO） 式中式中t为容差因子，可以在为容差因子，可以在0.91.1范围内，这样范围内，这样A离离 子半径约为子半径约为1.001.40A，B离子半径约为离子半径约为0.450.75， 氧离子半径为氧离子半径为1.32A。 1. 铁电铁电材料材料的钙钛矿结构的钙钛矿结构 2021-8-715 a 简单钙钛矿结构化合物简单钙钛矿结构化合物 ABO3型 A位：位：+2价阳离子，如价阳离子，如

13、Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+，Zn2+，Pb2+等等 B位：位：+4价阳离子，如价阳离子，如Ti4+，Zr4+等等 典型化合物：典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ， ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等等 2021-8-716 b 复合钙钛矿结构化合物复合钙钛矿结构化合物 （A1 x1 A2x2）（）（B1y1B2y2）O3型型 A1A2占据占据A位，满足条件：位，满足条件： 其中：其中：x1，x2分别为分别为A1离子和离子和A2离子化学计量比；离子化学计量比；x1+x2=1 y1，y2分别为分别为B1离子和离子和B2

14、离子化学计量比；离子化学计量比；y1+y2=1 B1B2占据占据B位，满足条件：位，满足条件： A位化合价位化合价= A1x1+A2 x2=+2价价 B位化合价位化合价= B1y1+B2 y2=+4价价 B1离子：低价阳离子，如离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等等 B2离子：高价阳离子，如离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等等 2021-8-717 A位变化形成的化合物：位变化形成的化合物： (A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3(K1/2Bi1/2)TiO3 (A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,

15、Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3 (Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3 2021-8-718 Pb(B+21/3B+52/3)O3型 Pb(B+32/3B+61/3)O3型 Pb(B+21/2B+61/2)O3型 Pb(B+31/2B+51/2)O3型 B位变化形成的化合物：位变化形成的化合物： A(B1+4，B2+4)O3型 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3 Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3 Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2T

16、a1/2)O3 Pb(Ti，Zr)O3， Ba(Ti，Zr)O3 Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3 1.31.3、 特特 性性 2021-8-720 铁电晶体内自发极化一致的区域称为铁电晶体内自发极化一致的区域称为电电 畴畴。铁电体中一般包含着多个电畴。两个。铁电体中一般包含着多个电畴。两个 相邻电畴自发极化间的夹角可以为相邻电畴自发极化间的夹角可以为180或或 90 ，分别称为分别称为180 畴和畴和90 畴。畴。 2021-8-721 1 1、 电畴电畴 ferroelectric domain 铁电体内自发极化相同的小区域称为铁电体内自发极化相同的小区域称为

17、电畴电畴，10m10m； 电畴与电畴之间的交界称为电畴与电畴之间的交界称为畴壁畴壁 两种：两种：9090畴壁和畴壁和180180畴壁畴壁 2021-8-722 无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章， 使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。 外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电 场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方 向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整 个结晶体成为一个单

18、一的极化畴为止。个结晶体成为一个单一的极化畴为止。 1 1、 电畴电畴 ferroelectric domain 2021-8-723 电滞回线是铁电体的一个特征。它表示铁电晶电滞回线是铁电体的一个特征。它表示铁电晶 体中存在电畴。它是铁电体的极化强度体中存在电畴。它是铁电体的极化强度P随外加随外加 电场强度电场强度E的变化轨迹。的变化轨迹。 饱和极化强度饱和极化强度Ps 剩余极化强度剩余极化强度Pr 矫顽电场强度矫顽电场强度Ec 铁电体的电滞回线铁电体的电滞回线 2021-8-724 2 2、 电滞回线电滞回线 hysteresis loop 在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使在

19、强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使 单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转畴的反转。 使剩余极化强度降为零时的电场值使剩余极化强度降为零时的电场值EcEc称为称为矫顽电场强矫顽电场强 度（矫顽场）度（矫顽场） Ps：饱和极化强度：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度：剩余极化强度 ABCBDF GHKC 变化过程： 2021-8-725 2 2、 电滞回线电滞回线 hysteresis loop 2021-8-726 v电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现 非线性关系，而且极化强度随

20、外电场反向而反向。非线性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。 v极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明 铁电体中存在电畴。铁电体中存在电畴。 v铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有 相同的方向，不同电畴中自发极化强度的取向间存在相同的方向，不同电畴中自发极化强度的取向间存在 着简单的关系。着简单的关系。 2 2、 电滞回线电滞回线 hysteresis loop 2021-8-727 3 3、 压电效应压电效应 piezoelectric effect 晶体受到机械力的作用时，表面产

21、生束缚电荷，晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷， 其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由 机械效应转换成电效应的过程称为机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应正压电效应。 力力形变形变电压电压 正压电效应正压电效应 电压电压形变形变 逆压电效应逆压电效应 晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间 呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称 为为逆压电效应逆压电效应。 2021-8-728 4 4、电致伸缩效应、电致伸缩效应 electros

22、trictive effect 晶体在受到外电场晶体在受到外电场E E激励下产生形变激励下产生形变S S，但二者呈非，但二者呈非 线性关系，形变线性关系，形变S S与电场的平方与电场的平方E E2 2呈线性关系，即：呈线性关系，即： SESE2 2 这种效应称为这种效应称为电致伸缩效应电致伸缩效应。 与压电效应的区别与压电效应的区别： 压电效应产生的应变与电场成正压电效应产生的应变与电场成正 比，当电场反向时，应变改变符号，比，当电场反向时，应变改变符号， 即正向电场使试样伸长，反向电场使即正向电场使试样伸长，反向电场使 试样缩短。试样缩短。 电致伸缩效应产生的应变与电场的电致伸缩效应产生的应

23、变与电场的 平方成正比，当电场反向时，应变不平方成正比，当电场反向时，应变不 改变符号，即无论正向电场或反向电改变符号，即无论正向电场或反向电 场均使试样伸长（缩短）。场均使试样伸长（缩短）。 2021-8-729 6 6、 居里温度居里温度TcTc Curie temperature 铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性，它铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性，它 有一临界温度有一临界温度TcTc. .，当温度高于，当温度高于TcTc时，铁电相转变为时，铁电相转变为 顺电相，自发极化消失。顺电相，自发极化消失。 5 5、热释电效应、热释电效应 pyroelectric effect 由于

24、温度的变化，晶体出现结构上的电荷中由于温度的变化，晶体出现结构上的电荷中 心相对位移，使自发极化强度发生变化，从而在心相对位移，使自发极化强度发生变化，从而在 两端产生异号的束缚电荷，这种现象称为两端产生异号的束缚电荷，这种现象称为热释电热释电 效应效应。 晶体顺电相晶体顺电相-铁电相的铁电相的临界临界转变温度转变温度Tc称为称为居里温度居里温度 2021-8-730 当晶体从高温降温经过当晶体从高温降温经过 c c时，要经过一个从非铁电时，要经过一个从非铁电 相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于 c c时，晶体不具有铁电性，温度低于时，

25、晶体不具有铁电性，温度低于 c c时，晶体呈时，晶体呈 现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结 构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是 低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电 相时，相时，只有顺电只有顺电- -铁电相变温度才称为居里点铁电相变温度才称为居里点；晶体晶体 从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温 度或过渡温度。度或过渡温度。 1.4、典型材料与应用、典型材料与应用 vB

26、aTiO3，钛酸钡，钛酸钡 vKDP，磷酸二氢钾，磷酸二氢钾 KH2PO4 vTGS，三甘氨酸硫酸盐，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 vRS，酒石酸钾钠（罗息盐），酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O6 4H2O 2021-8-733 BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在陶瓷材料的铁电性能在1942年被人们年被人们 发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应用发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应用 于介电、压电元器件。于介电、压电元器件。1954年人工法成功制备出年人工法成功制备出 BaTiO3单晶，至今，单晶，至今， BaTiO3陶瓷仍是应用的最陶瓷仍是应用的最 广泛和

27、研究得比较透彻的一种铁电材料。广泛和研究得比较透彻的一种铁电材料。 BaTiOBaTiO3 3陶瓷材料陶瓷材料 2021-8-734 120120，立方晶胞，立方晶胞 00120120，四方晶胞，四方晶胞 -80-8000，正交晶胞，正交晶胞-80-80，三角晶胞，三角晶胞 BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和三方相晶体结构有立方相、四方相、斜方相和三方相 等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方相、斜方相和等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方相、斜方相和 三方相为铁电相，立方相为顺电相。三方相为铁电相，立方相为顺电相。 BaTiO3的晶体结构的晶体结构 2021-8-735 Ba

28、TiO3在室温附近（在室温附近（20）为铁电相，当温度高于居）为铁电相，当温度高于居 里温度（里温度（120），铁电相转变为顺电相。顺电相），铁电相转变为顺电相。顺电相BaTiO3 的结晶学原胞如图所示：的结晶学原胞如图所示： 顺电相顺电相BaTiO3的结晶学原胞的结晶学原胞 整个整个BaTiO3晶格可晶格可 以看成是由以看成是由Ba、Ti、 O、O、O各自构各自构 成的简单立方格子套构成的简单立方格子套构 而成。而成。 在钙钛矿结构中，有一在钙钛矿结构中，有一 种非常重要的结构种非常重要的结构-氧八氧八 面体结构。钙钛矿结构中面体结构。钙钛矿结构中 氧八面体结构和金刚石结氧八面体结构和金刚石

29、结 构中的正四面体结构是固构中的正四面体结构是固 体物理学中两类非常重要体物理学中两类非常重要 的典型结构。的典型结构。 2021-8-736 BaTiO3的介电的介电- -温度特性温度特性 介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介 电常数一般为电常数一般为30005000，在居里温度处（，在居里温度处（120）发）发 生突变，可达生突变，可达10000以上。以上。 单晶单晶 2021-8-737 2021-8-738 在居里温度以上，在居里温度以上， BaTiOBaTiO3 3的介电常数随温度的变化遵从的介电常数随温度的变化遵从 居里居里- -

30、外斯定律外斯定律： C T TT A 其中：其中：A AT T为居里为居里外斯常数；外斯常数；T Tc c为居里温度（为居里温度（120120） T C T A T T A 11 T 1 上式化为：上式化为： 2021-8-739 表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示：表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示： %100 20 20 C CC C C T 其中：其中：C20为陶瓷样品在为陶瓷样品在20时的电容（时的电容（1KHz）；）； CT为陶瓷样品在温度为陶瓷样品在温度T时的电容（时的电容（1KHz） Z5V型电容器瓷料型电容器瓷料，1085，-56%C/C+22%。 Y5U型

31、电容器瓷料型电容器瓷料，-2585，-80%C/C+30%。 X7R型电容器瓷料型电容器瓷料，-55125，-15%C/C+15%。 2021-8-740 改变居里温度使介电常数峰值处于改变居里温度使介电常数峰值处于 可利用的温度范围。可利用的温度范围。 掺杂掺杂SrSr2+ 2+取代 取代BaBa2+ 2+可降低居里温度。 可降低居里温度。 掺杂掺杂PbPb2+ 2+取代 取代BaBa2+ 2+则升高居里温度。 则升高居里温度。 BaTiO BaTiO3 3的晶粒尺寸一般为的晶粒尺寸一般为3 3 10m10m，采用高价阳离子取代会抑采用高价阳离子取代会抑 制晶体成长，可提高居里温度以下制晶体

32、成长，可提高居里温度以下 的介电常数的介电常数。 掺杂掺杂LaLa3+ 3+取代 取代BaBa2+ 2+或 或NbNb5+ 5+取代 取代 TiTi4+ 4+减小晶粒尺寸。 减小晶粒尺寸。 晶粒尺寸对晶粒尺寸对BTBT介电常数的影响介电常数的影响 2021-8-741 随着微电子技术，精密机械光学系统和自动控制等高随着微电子技术，精密机械光学系统和自动控制等高 科技的迅速发展，对于由弛豫铁电陶瓷材料制作的科技的迅速发展，对于由弛豫铁电陶瓷材料制作的多层陶多层陶 瓷电容器（瓷电容器（MLCCMLCC），），微位移器，致动器等的要求与日俱增，微位移器，致动器等的要求与日俱增， 这也是近年来弛豫铁电

33、陶瓷得以迅速发展的主因和背景。这也是近年来弛豫铁电陶瓷得以迅速发展的主因和背景。 其作为一种实用化的材料，通常需要把居里温度调节到室其作为一种实用化的材料，通常需要把居里温度调节到室 温附近，以获得较高的室温介电常数，并且使容温变化率温附近，以获得较高的室温介电常数，并且使容温变化率 满足一定温度稳定性的要求。满足一定温度稳定性的要求。 2021-8-742 弛豫铁电陶瓷弛豫铁电陶瓷 ferroelectric ceramicsferroelectric ceramics 弛豫铁电陶瓷，又称电致伸缩陶瓷，是铁电材料大家弛豫铁电陶瓷，又称电致伸缩陶瓷，是铁电材料大家 族中的一重要分支，其独特的弛

34、豫特性将传统理论认为互族中的一重要分支，其独特的弛豫特性将传统理论认为互 无联系的弛豫现象和铁电现象联系到一起。无联系的弛豫现象和铁电现象联系到一起。 1. 1. 介电常数高（介电常数高（1000010000 4000040000） 2. 2. 相对低的烧结温度（相对低的烧结温度（ 12001200） 4. 4. 电致伸缩效应大（电致伸缩效应大（ L/LL/L达达1010- - 3 3） ） 6. 6. 剩余极化小剩余极化小 5. 5. 电致应变滞后小电致应变滞后小 3. 3. 容温变化率低（容温变化率低（10%10%） 主要是含铅的主要是含铅的Pb(BPb(B1 1B B2 2)O)O3 3

35、系列系列 复合钙钛矿结构材料，其中：复合钙钛矿结构材料，其中： B B1 1为典型的低价阳离子，如为典型的低价阳离子，如 MgMg2+ 2+， ，ZnZn2+ 2+， ，NiNi2+ 2+， ，FeFe3+ 3+， ，ScSc3+ 3+ 等；等； B B2 2为典型的高价阳离子，如为典型的高价阳离子，如 TiTi4+ 4+， ，NbNb5+ 5+， ，TaTa5+ 5+， ，W W6+ 6+等。 等。 2021-8-743 最早发现的铅系弛豫铁电陶瓷是最早发现的铅系弛豫铁电陶瓷是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（简称简称 PMN），该材料于），该材料于50年代由前苏联科学家年代由前苏联科学家G

36、.A.Smolensky 等人最先制备出来，此后又发展出多种复合钙钛矿型弛豫等人最先制备出来，此后又发展出多种复合钙钛矿型弛豫 铁电陶瓷材料，代表性的有：铁电陶瓷材料，代表性的有： Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、 Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（简称（简称PZN、PNN、PFN、PST)等。等。 传统理论认为弛豫现象和铁电现象是互不相关的两种现传统理论认为弛豫现象和铁电现象是互不相关的两种现 象，普通铁电体和极性介质弛豫体是完全不同、互无联系象，普通铁电体和极性介质弛豫体是完全不同、互无联系 的两大类材料。但是复合钙钛矿

37、结构化合物既有明显的铁的两大类材料。但是复合钙钛矿结构化合物既有明显的铁 电性质，又呈现强烈的弛豫特点。也就是说，这一类材料电性质，又呈现强烈的弛豫特点。也就是说，这一类材料 将正常铁电体和极性介质弛豫体联系起来。将正常铁电体和极性介质弛豫体联系起来。 2021-8-744 普通铁电体普通铁电体BaTiOBaTiO3 3和弛豫铁电体和弛豫铁电体Pb(MgPb(Mg1/3 1/3Nb Nb2/3 2/3)O )O3 3的介温性能曲线的介温性能曲线 弛豫铁电体与正常铁电体相比，主要特征有：弛豫铁电体与正常铁电体相比，主要特征有： 弥散相变弥散相变，即顺电铁电相变是逐渐的变化而非突变，表现为，即顺电

38、铁电相变是逐渐的变化而非突变，表现为 介电常数与温度的关系曲线中介电峰的宽化，高于居里温度附近仍存介电常数与温度的关系曲线中介电峰的宽化，高于居里温度附近仍存 在自发极化和电滞回线；在自发极化和电滞回线； 频率色散频率色散，即在，即在T Tm m附近低温侧介电峰和损耗峰随测试频率的提附近低温侧介电峰和损耗峰随测试频率的提 高，而略向高温方向移动，而介电峰值和损耗峰分别随频率增加而略高，而略向高温方向移动，而介电峰值和损耗峰分别随频率增加而略 有降低和增加。有降低和增加。 2021-8-745 温度对介电性能的影响表现在介温谱上，弥散相变区越温度对介电性能的影响表现在介温谱上，弥散相变区越 宽，

39、温度稳定性越好，弥散相变区越窄，温度稳定性越差。宽，温度稳定性越好，弥散相变区越窄，温度稳定性越差。 用弥散相变度用弥散相变度 来描述相变区的大小，来描述相变区的大小， 值大，相变范围值大，相变范围 宽，宽， 值小，相变范围小，它由下式决定：值小，相变范围小，它由下式决定： 11 2 0 2 2 maxmax TT 介电常数温度稳定性介电常数温度稳定性 其中：其中：T T0 0为居里温度为居里温度 为温度为温度T T时的介电常数时的介电常数 max max为 为T T0 0对应的最大介电常数对应的最大介电常数 2021-8-746 至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它们广泛至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它们广泛 地分布于从立方晶系到单斜晶系的地分布于从立方晶系到单斜晶系的1010个点群中。它们个点群中。它们 的自发极化强度从的自发极化强度从1010