第三章%20压电、热释电及铁电材料

1、LOGO第三章 压电、热释电与铁电材料LOGO第三章第三章 压电与铁电性能压电与铁电性能压电性能；热释电性；铁电性能。压电性能；热释电性；铁电性能。v18801880年，年，J.CurieJ.Curie和和P.CurieP.Curie兄弟首先发现压电效应；兄弟首先发现压电效应；v19201920年，年，ValasekValasek发现铁电体；发现铁电体；v4040年代中期，压电材料开始广泛应用。年代中期，压电材料开始广泛应用。v60-7060-70年代达成熟阶段。年代达成熟阶段。LOGO对晶体对称性的研究，法国居里发现压电效应。对晶体对称性的研究，法国居里发现压电效应。Pierre Curie

2、 was born in Paris, on May 15, 1859. Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906 LOGO某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为种现象称为“正压电效应正

3、压电效应” 机械能转变为电能机械能转变为电能；反之，在极化；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”电能转变为机械能电能转变为机械能。具有压电效。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。应的物质（电介质）称为压电材料。一、压电效应的基本原理一、压电效应的基本原理1 1 压电现象压电现象LOGOF FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性LOGOxyxyxyxy( (

4、a a ) )( (b b ) )( (c c ) )( (d d ) ) 2 2、压电效应的物理机制、压电效应的物理机制 (1) (1) 压电单晶压电单晶LOGO晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。而产生的。 (1) (1) 压电单晶压电单晶LOGO(2) (2) 压电陶瓷压电陶瓷LOGO压电陶瓷的压电效应机理与压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶压

5、电单晶大不相同，未经极化处理的大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力

6、，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影向增强，而使表面的自由电荷过剩出现放一端异号的束缚电荷影向增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。 (2) 压电陶瓷压电陶瓷LOGO（3）压电效应产生的条件）压电效应产生的条件v晶体结构没有对称中心。晶体结构没有对称中心。v压电体是电介质。压电体是电介质。v其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体是离子晶体或由离子团组成的

7、分子晶体。是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。LOGO（4 4）压电材料的压电常数）压电材料的压电常数张量表示的必要性：张量表示的必要性：112233DEDEDEDE各向同性的情形，：或，111112132212223231323333DEDEDE111112213322112222333311322333DEEEDEEEDEEE各向异性的情形：LOGOxz zT3 (D1)T2T1T4T6T5(D D3 )(D2)y yT T1 1T T3 3分别为沿分别为沿 x x、y y、z z 轴的正应力（或应轴的正应力（或应力分量），力分量）， T T4 4T T6 6分别为绕分别为绕 x x、y

8、y、z z轴的切轴的切向应力，向应力， D D1 1D D3 3分别是分别是 x x、y y、z z 表面由于压表面由于压电效应而产生的电荷面密度。电效应而产生的电荷面密度。LOGO121111213141516322122232425264313233343536356TTDddddddTDddddddTddddddDTT正压电效应 mmjjDd Tmj爱因斯坦求和符号：代表电学量的方向， 代表力学量的方向。LOGO:mmjjmjmmjjmjDdTdDeSe正 压 电 效 应 压 电 应 变 系 数 压 电 应 力 系 数TTnimjnjmjddee； :ininnijnjnnjSdEdTe

9、Ee逆 压 电 效 应 压 电 应 变 系 数 压 电 应 力 系 数LOGO - - - - 00000020000000000000000000011141411112625141211363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddddij 0000000000000000000000000033313124243332312415363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddddij石英晶体石英晶体BaTiO3陶瓷陶瓷因为晶体对称

10、原因，因为晶体对称原因，只有以上几个压电应只有以上几个压电应变常量不为零，其他变常量不为零，其他都为零都为零LOGO二、二、 压电振子的谐振特性压电振子的谐振特性压电振子：极化后的压电体。压电振子：极化后的压电体。谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。与压电体的固有频率一致时，产生谐振。1 谐振特性谐振特性LOGO谐振频率：形成驻波的频率。谐振频率：形成驻波的频率。形成驻波的条件：形成驻波的条件：L= n / 2 振动频率：振动频率：f r=u/ （ u-声波的传播速度，与物体的声波的传播速度，与物体的密

11、度和弹性模量有关）密度和弹性模量有关）谐振线度尺寸与频率的关系：谐振线度尺寸与频率的关系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 频率为基频，其它为二、三次等泛频，当发生谐振频率为基频，其它为二、三次等泛频，当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大电流最大)的的频率频率f m附近，此频率为最小阻抗频率。频率继续增大，附近，此频率为最小阻抗频率。频率继续增大，阻抗达到一个极大值，相应的频率阻抗达到一个极大值，相应的频率f n叫做反谐振频率。叫做反谐振频率。LOGO压电振子的阻抗频率变化压电振子的阻抗频率变化反谐振反谐振阻阻抗抗频率频

12、率 f谐振谐振fm1fn1LOGO2 2 晶体振荡电路晶体振荡电路 （1 1） 石英晶体的谐振特性与等效电路石英晶体的谐振特性与等效电路 石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件, , 其结构和外形如图其结构和外形如图7.127.12所示。所示。 石英晶体谐振石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片下的薄片, , 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的音叉形的, , 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, , 并装上一对金属板并装上一对金属板

13、, , 接接出引线出引线, , 封装于金属壳内。封装于金属壳内。LOGO 为什么石英晶体能作为一个谐振回路为什么石英晶体能作为一个谐振回路, 而且具有极高的频而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。 物理学的研究表明，物理学的研究表明， 当石英晶体受到交变电场作用时，当石英晶体受到交变电场作用时，即在两极板上加以交流电压，石英晶体便会产生机械振即在两极板上加以交流电压，石英晶体便会产生机械振动。动。 反过来，若对石英晶体施加周期性机械力，反过来，若对石英晶体施加周期性机械力， 使其发使其发生振动，生振动， 则又会在晶体表面

14、出现相应的交变电场和电荷则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时，便会产生固有频率时，便会产生“机机电共振电共振”， 振幅明显加大，振幅明显加大， 这种现象称为压电谐振。这种现象称为压电谐振。 它与它与LC回路的谐振现象十分相回路的谐振现象十分相似。似。 LOGO底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b) 图 7.12石英晶体谐振器(a) 石英晶体振荡器； (b) 外形图 LOGO 压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关

15、。 从电路上分析从电路上分析, 石英晶体可以等效为一个石英晶体可以等效为一个LC电路电路, 把它接到振荡把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。器上便可作为选频环节应用。 图图7.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。为石英晶体在电路中的符号和等效电路。(a)C0LCR(b) 图图 7.13石英晶体的符号和石英晶体的符号和 等效电路等效电路 (a) 符号；符号； (b) 等效电路等效电路 LOGOX0fsfpf容性容性感性 图7.14 石英晶体的电抗频率特性 LOGO 图图7.14为石英晶体谐振器的电抗为石英晶体谐振器的电抗-频率特性。频率特性。 由图由图7.14可知可知, 它具有两个谐振频率

16、它具有两个谐振频率, 一个是一个是L、 C、 R支支路发生串联谐振时的串联谐振频率路发生串联谐振时的串联谐振频率fs， 另一个是另一个是L、 C、 R支路与支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp，由图，由图 7.13 等效电路得等效电路得:002121CCCCLfLCfps（7.13） （7.14） LOGOC1C0L1R通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值，通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值，对其求导，在对其求导，在R=0时，求出时，求出fm，fn fm=1/2 (L1C1)1/2 (串联谐振）串联谐振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C

17、1) (并联谐振）并联谐振）压电振子的等效电路压电振子的等效电路根据高频电子线路的知识可以根据高频电子线路的知识可以知道，压电振子的交流等效回知道，压电振子的交流等效回路是路是LCR电路，存在两个谐振电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率频率：串联谐振频率S 和并和并联谐振频率联谐振频率P 。LOGO(a)C0LCR(b)此等效电路只适用于基频附近,mnraspffffff特征频率： LOGO考 虑 四 个 物 理 量 时 ， 除 了 直 接 效 应 ，还 要 考 虑 耦 合 效 应 。TDSETDSE三、压电方程LOGO第 一 类 边 界 条 件 ： 机 械 自 由 T=0,C 电 学 短 路

18、 E=0,C第 二 类 边 界 条 件 ： 机 械 夹 持 S=0,C 电 学 短 路 E=0,CT第 三 类 边 界 条 件 ： 机 械 自 由 =0,C 电 学 开 路 D=0,C第 四 类 边 界 条 件 ： 机 械 夹 持 S=0,C 电 学 开 路 D=0,C1.边 界 条 件 及 其 含 义LOGO 第一类边界条件：机 械自由电学短路TmmjjmnnDd TE 正压电效应正压电效应恒应力介电常数恒应力介电常数压电应变常数压电应变常数EininijjSd ES T 逆压电效应逆压电效应短路弹性柔顺常数短路弹性柔顺常数压电应变常数压电应变常数LOGO负号的含义负号的含义 加电场后，造成

19、同等应变需要的应力降低加电场后，造成同等应变需要的应力降低 第二类边界条件：机 械夹持电学短路SmmiimnnDe SE 恒应变介电常数恒应变介电常数正压电效应正压电效应压电应力常数压电应力常数EjnjnjiiTe EC S- 短路弹性劲度常数短路弹性劲度常数逆压电效应逆压电效应压电应力常数压电应力常数LOGO 第三类边界条件：机 械自由电学开路TnnjjnmmEg TD- 正压电效应正压电效应压电电压常数压电电压常数自由介电隔离常数自由介电隔离常数DimimijjSgDS T 逆压电效应逆压电效应压电电压常数压电电压常数开路弹性柔顺常数开路弹性柔顺常数负号的含义负号的含义 加应力后，造成同等

20、极化需要的电场降低加应力后，造成同等极化需要的电场降低LOGO 第四类边界条件：机 械夹持电学开路SnniinmmEh SD- 正压电效应正压电效应压电刚度常数压电刚度常数夹持介电隔离常数夹持介电隔离常数DjmjmjiiTh DC S- 压电刚度常数压电刚度常数开路弹性劲度常数开路弹性劲度常数逆压电效应逆压电效应负号的含义负号的含义 允许极化时，造成同等应变需要的应力降低允许极化时，造成同等应变需要的应力降低负号的含义负号的含义 允许应变时，造成同等极化需要的电场降低允许应变时，造成同等极化需要的电场降低LOGO STTTESTTTEDDDeSETeEC SEgTEDdTESdESDhSDTS

21、gDSCThDST - - - -正压电效应： 正正压正压电效应：逆压电效应： 压电效应： 电效应： 逆压电 逆压 逆压电效应：电效应： 效应： LOGOmemmeeElectroMechanical Coupling Coefficient EMCCUKUU-1 机电耦合系数 （）数学定义式：121212eem eEijjTm nmimjmnmjiUTUEUSTEdTE-各 个 能 量 的 含 义 ：； 介 电； 机 械 能 密 度 。； 机 械电 相 互 作 用能 密 度 。能 密 度 。四、压电性能的主要参数四、压电性能的主要参数LOGO22KK工程技术上的含义：机械能转变的电能正压电效

22、应：输入的机械能电能转变的机械能逆压电效应：输入的电能2K 并非能量转换效率：因为在压电体中未被转化是以机械能或电能的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量250%,90K例如：而转换效率可以为LOGO22220,04:7:memmeearaDEDUBerlincourtKUUffMasonKfUUKU-压电元件机电耦合系数定义研究数学定义式： 仅适用于静态 ， 仅适用于动态开路短路法电子元件与材料年 月第七期 ：，适用于两种状态LOGO112233,2ijijDE压电体也是电介质，尤其是铁电体，具有大的介电常数，是高效电容的研究热点。 对于：由热力学讨反应了材料的介电性质或极化性论得出：是二阶

23、对称张量。对极化为Z轴方向的压电陶瓷，由对称关系因此极化压电陶瓷有2个介电常数，考虑不同机械条件时则有4个介电常数。质 介电常数LOGO113RCeIICRQ00理想电介质在正弦交变电场下，电流超前电压90 ，但是在压电陶瓷中，因有极化和电导损耗（对于铁电体还包括电畴壁移动所消耗的能表征介电体在电场作用下，由发量），电流超前的相位热而导致能量的损角小于90 。其正切表示介电损耗大小： tan（损耗因子或介质损耗） 电学品质因数的定义： t耗。an 介质损耗LOGO11121333441112133344sc6365,;,4STTcSSTSCsssssccccc s ； 为弹性柔顺系数； 为弹性

24、刚度系数。非张量表示时，和各有 个分量，故根据前述的矩阵表示法，和各有个分量，由于力学量的对称关系，独立分量最多为21个，对于极化后的压电陶瓷，由于对称关系，独立分量各有 个：若考虑开路和短路两种电学条件，则压电陶瓷的弹性系数各有 弹性系数 10个。LOGO5mjniminjminjddeegg-电场恒定时，单位应力变化引起的电位移变化。应力恒定时，单位电场变化引起的应变的变化。电场恒定时，单位应变变化引起的电位移变表示压电体机械能转变为电能或者电能化。应变恒定时转变为机械能的转换系数。反应了机械性能和介电性能之间的，单位电场变化引起的应力的变化。电位移耦合关系。恒定时，单位应力变化引起的电场

25、变化。应力恒 压电常数: 反映机电耦合效应的强弱nimjhh-定时，单位电位移变化引起的应变变化。电位移恒定时，单位应变变化引起的电场变化。应变恒定时，单位电位移变化引起的应力变化。LOGO111226emmsemmmmmEQEf C REEQQQQ由 于 内 摩 擦 ， 压 电 振 子 谐 振 时 要 消 耗 机 械 能 ，定 义 机 械 品 质 因 数 ： : 谐 振 一 周 储 存 的 机 械 能 。 : 谐 振 一 周 消 耗 的 机 械 能 。根 据 定 义 式 ，越 大 ， 消 耗 的 能 量 越 小越 小 ， 消 耗 的 能 量 越 大 。与 振 子 的 振 动 模 式 有 关

26、， 通 常 采 用 的是 圆 片 试 样 径 向 振 动 模 式 下 的。 机 械 品 质 因 数LOGO五、压电材料的分类及特性五、压电材料的分类及特性v 压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。电材料。LOGO（一）石英晶体（单晶）（一）石英晶体（单晶） 石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。它还具有自振频突出优点是

27、性能非常稳定。它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 LOGO（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷（P51-61P51-61） 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。无数细微的电畴组成。常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：1. 1. 锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT） 2.2. 非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷LOGO（三）高分子压电材料（三）高分子压电材料 高分

28、子压电材料是一种柔软的压电材料。高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出压电特性。它不易经极化处理后就显现出压电特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。在一些不要求测量精度的场合，例如水声在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。LOGO六、压电传感器的应用六、压电传感器的应用v 石英晶体主要用于精密测量，多作为实验石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机室基准传

29、感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；械强度稍低，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。下面而高分子压电材料多用作定性测量。下面分别介绍几种典型的应用，并对振动测量分别介绍几种典型的应用，并对振动测量给予简介。给予简介。 LOGO压电材料的应用压电材料的应用1.1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（高于（高于20kHz20kHz）的振动。将高分子压电薄膜）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。将电压

30、信号传送给集中报警系统。LOGO2 2压电式周界报警系统压电式周界报警系统 周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。防范区之内时，系统就会发出报警信号。3.3.交通监测交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以判定车将高分子压电电缆埋在公路上，可以判定车速、载荷分布、车型等。速、载荷分布、车型等。LOGO 压电式传感器的输出信号非常微弱，一般压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。因此与需将电信号放大后才能检测出来。因此与

31、之相配的前置放大器有电压前置放大器和之相配的前置放大器有电压前置放大器和电荷放大器两种形式。电荷放大器两种形式。 3.电荷放大器电荷放大器LOGO压电式加速度计压电式加速度计(a)中心安装压缩型中心安装压缩型 (b)环形剪切型环形剪切型 (c) 三角剪切型三角剪切型 S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。 它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测

32、加速度成正比。有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 LOGO压电压电式胶式胶壳蜂壳蜂鸣器鸣器压电式铝壳蜂鸣器压电式铝壳蜂鸣器胶壳引线蜂鸣器广泛应用于电话机、电子钟、电器产品、防胶壳引线蜂鸣器广泛应用于电话机、电子钟、电器产品、防盗报警、井下报警、烟雾报警和电子玩具发声之用途。铝壳盗报警、井下报警、烟雾报警和电子玩具发声之用途。铝壳蜂鸣器可应用于电子台历、数码相机、各种仪器仪表、防丢蜂鸣器可应用于电子台历、数码相机、各种仪器仪表、防丢防盗器、验钞机、玩具等发声用途。防盗器、验钞机、玩具等发声用途。 LOGO7.1 自发极化自发极化v在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个在晶体中，如

33、果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态。使晶体处于高度极化状态。v这种在无外电场作用下存在的极化现象称为这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化自发极化 七、 热释放电性与铁电性LOGO1 自发极化的微观机制 （a）极性轴导致的自发极化 （b）热运动引起的自发极化 依据能量最低原理讨论了 热运动自发极化需要的条件。 （C）有序无序型极化：自发极化同 个别离子的有序化相联系。LOG

34、O-+-+-+-+极极化化轴轴C-+-+ （a）极性轴导致的自发极化）极性轴导致的自发极化-+-+固固有有偶偶极极子子正正电电荷荷与与负负电电荷荷层层交交替替排排列列-+-+-+-+LOGO氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 （b）由热运动导致的自发极化）由热运动导致的自发极化较高温度时，较高温度时，钛离子热振动能较大，难于在偏离中心的某一个钛离子热振动能较大，难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。（如图对称性，

35、自发极化为零。（如图A所示）所示）图图 A LOGOv 较低温度时，钛离子热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很较低温度时，钛离子热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能偏离平衡位置向某一个大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能偏离平衡位置向某一个氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向延长，晶胞发生轻

36、微畸变，由立方变为四方晶体。（如图延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。（如图B所示）所示） 图图 BLOGOu由极性轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电场很由极性轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度度，也不能改，也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是一个电畴。变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是一个电畴。这样晶体具有热释电性，大都为单畴体。这样晶体具有热释电性，大都为单畴体。u由热运动引起自发极化的晶体，产生多畴，有居里点和由热运动引起自发极化的晶体，产生多畴，有居里点和电滞回线等特

37、性，这类晶体具有热释电性和铁电性。电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和铁电性。C、 两种自发极化机制的比较：两种自发极化机制的比较：LOGOv热释电效应：热释电晶体除了由于机械应力作用热释电效应：热释电晶体除了由于机械应力作用引起压电效应外，还可以由于温度变化时的热膨引起压电效应外，还可以由于温度变化时的热膨胀作用而使其电极化强度变化，引起自由电荷的胀作用而使其电极化强度变化，引起自由电荷的充放电现象。充放电现象。产生的条件：产生的条件：u一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。所谓极轴，顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往所谓极轴，

38、顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合的方向。的方向。LOGOx3x2x1x3x2x1LOGO热释电晶体分类第一类 自发极化不随外加电场的作用而转向。第二类 自发极化可随外加电场的作用而转向，即铁电体。铁电体需极化处理才能显示热释电和压电效应压电体与热释电体的区别与联系区别：因为温度变化引起晶体胀缩无方向性，因此由正负 电荷中心位移产生的压电晶体并不产生热释电效应联系：虽然温度变化引起晶体胀缩无方向性，但是由于自 发极化偶极矩的存在使得热释电晶体具备压电效应2 晶体的热释电效应LOGO3. 3 晶体

39、的铁电性晶体的铁电性v 在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。称为铁电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。v 铁电体的共同特征：铁电体的共同特征：具有电滞回线；具有电滞回线；具有结构相变温度（居具有结构相变温度（居里点）；里点）；具有临界特性具有临界特性v 铁电

40、体重要的特征之一是电滞回线。铁电体重要的特征之一是电滞回线。LOGO（1）电滞回线电滞回线存在的原因：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；EC ：矫顽场强：矫顽场强。LOGOv设一铁电体整体呈现自发极化，设一铁电体整体呈现自发极化，晶体正负端分别有一层正、负晶体正负端分别有一层正、负束缚电荷。在受机械约束时，束缚电荷。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，整个均匀极化的应变能增加，整个均匀极化的状态不稳定，晶体趋向于分成状态不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。每个区域内部偶多个小区域。每个区域内部偶极子沿同一方向，但不

41、同小区极子沿同一方向，但不同小区域的方向不同，这每个小区域域的方向不同，这每个小区域称为称为电畴（简称畴）。电畴（简称畴）。畴之间畴之间边界区域称之为边界区域称之为畴壁。畴壁。BaTiO3晶体电畴结构示意图晶体电畴结构示意图LOGO 为减少静电能，电畴取向呈杂乱分布，施加电场后，为减少静电能，电畴取向呈杂乱分布，施加电场后，通过畴壁运动，多畴体变为单畴体，电场进一步升高通过畴壁运动，多畴体变为单畴体，电场进一步升高则只能带来电子和离子位移极化。则只能带来电子和离子位移极化。电畴结构示意图电畴结构示意图LOGOv当温度高于某一数值时，由于热扰动，当温度高于某一数值时，由于热扰动，自发极化变为零，

42、晶体将不再具备铁电自发极化变为零，晶体将不再具备铁电性，这一临界温度就称为性，这一临界温度就称为居里温度居里温度T Tc c。v在居里点以下，由于存在自发极化，晶在居里点以下，由于存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上，体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上，材料为顺电相。材料为顺电相。 BaTiOBaTiO3 3的例子：的例子： 120 0120 05 5 90909 9 顺电相顺电相铁电相铁电相铁电相铁电相铁电相铁电相立方相立方相四方相四方相正交相正交相三方相三方相LOGOv晶体在发生顺电晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化铁电相变或其它极化状态发生变化的结构相变时，晶体

43、的一系列物理性质发生反常变的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。DDCTC-居里外斯定律 顺电相的介电常数遵循：居里外斯常数；：居里外斯温度LOGO指 在 电 场 的 作 用 下 ， 由 诱 导 极 化 而 引 起 的 形 变 。逆 压 电 效 应 和 诱 导 极 化 均 可 导 致 伸 缩 效 应 ，逆 压 电 效 应 符 合

44、 压 电 方 程 描 述 的 线 性 关 系 ，诱 导 极 化 引 起 的 应 变 与 极 化 强 度 的 平 方 成 正 比 。诱 导 极 化 伸 缩 与 E方 向 无 关 。（4）铁电体的电致伸缩LOGO一般电介质一般电介质压电体压电体热释电体热释电体铁电体铁电体电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心自发极化自发极化自发极化自发极化唯一自发唯一自发极化方向极化方向多个自发多个自发极化方向极化方向电滞回线电滞回线一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观

45、条件LOGO 具有压电性的晶体不一定就具有热释电性，但具有铁电具有压电性的晶体不一定就具有热释电性，但具有铁电性的晶体一定具有热释电性。三者的关系如下图所示。性的晶体一定具有热释电性。三者的关系如下图所示。 一般电介质一般电介质 压电体压电体 热释电体热释电体 铁电体铁电体LOGO 介电晶类（介电晶类（3232种）种）不具有对称不具有对称中心的晶类中心的晶类 （2121种）种）其中压电晶类其中压电晶类 （2020种）种）极性晶类（热释极性晶类（热释电晶类）电晶类） （1010种）种）1 1，2 2，3 3，4 4，6 6，m m，mm2mm2，4mm,3m,6mm4mm,3m,6mm 非极性晶

46、类非极性晶类 （1111种）种）222,-4,-6,23,432(222,-4,-6,23,432(不具不具有压电性）有压电性）,-43m,422,-43m,422,-42m,32,622,-6m2-42m,32,622,-6m2 具有对称中心的晶类具有对称中心的晶类 （1111种）种）-1,2/m,4/m,-3-1,2/m,4/m,-3， 6/m,m3,mmm,4/mmm,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/m6/m，mm,m3m,-3mmm,m3m,-3m一般电介质、压电体、热释电体、铁电体所属的点群一般电介质、压电体、热释电体、铁电体所属的点群LOGOv 1 1、压电单晶材料压电单晶材

47、料：如水晶（石英）、：如水晶（石英）、LiNbOLiNbO3 3、BiBi2 2GeOGeO3 3、LiLi2 2GeOGeO3 3、LiLi3 3BOBO4 4等。等。v 2 2、压电陶瓷材料压电陶瓷材料：如：如BaTiOBaTiO3 3、PbTiOPbTiO3 3、PZTPZT以及其它三元系陶瓷。以及其它三元系陶瓷。PZT: PZT: Pb(ZrPb(Zr1-x1-xTiTix x)O)O3 3v 3 3、压电薄膜压电薄膜：如：如ZnOZnO、CdSCdS以、以、AlNAlN、PLZTPLZT等等v 4 4、压电高分子压电高分子：天然高分子，如骨、：天然高分子，如骨、DNADNA、聚氨基酸

48、；合成高分子，如聚偏、聚氨基酸；合成高分子，如聚偏氟乙烯（氟乙烯（VDFVDF）、偏氟乙烯与三氯乙烯共聚物）、偏氟乙烯与三氯乙烯共聚物VDF/TrFEVDF/TrFEv 5 5、压电复合材料压电复合材料：由压电陶瓷和高分子聚合物或其他材料复合而成，性能可：由压电陶瓷和高分子聚合物或其他材料复合而成，性能可大幅度调整。大幅度调整。LOGO（2 2）压电材料的应用）压电材料的应用压电功能：压电功能： 扬声器、送话筒、晶体振荡器等等扬声器、送话筒、晶体振荡器等等热释电功能：热释电功能： 红外热电探测器等红外热电探测器等铁电功能：铁电功能： 压电振子、铁电存储器、精密位移压电振子、铁电存储器、精密位移

49、 计、陶瓷滤波器、电子打火器等等计、陶瓷滤波器、电子打火器等等电致伸缩功能：电致伸缩功能：电光功能：电光功能： 电控双折射、电控光散射电控双折射、电控光散射LOGO （3）压电振子的振动模式）压电振子的振动模式 伸缩振动、切变振动、弯曲振动伸缩振动、切变振动、弯曲振动薄片型薄片型极极化化方方向向薄长片薄长片极化方向极化方向厚度振动厚度振动径向振动径向振动轮廓振动或轮廓振动或长度振动长度振动横向效应横向效应沿轴向振动沿轴向振动厚度厚度切变切变振动振动LOGO伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。 包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。 包括平面切变振动、厚度切变振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。纵向效应：弹性波