第二章材料的介电性能2014

1、第二章第二章 材料的介电性能材料的介电性能2.1 电介质及其极化电介质及其极化2.2 介电强度介电强度 2.3 压电性和热释电性压电性和热释电性2.4 铁电性铁电性2.5 介电测量简介介电测量简介 电介质电介质是在电场作用下具有是在电场作用下具有极化能力极化能力并在并在其中其中长期存在电场长期存在电场的一种物质的一种物质 电介质具有极化能力和其中能够长期存在电电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场的性质是电介质的基本属性场的性质是电介质的基本属性 电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能绝缘性能 电介质又可称为绝缘材料（电介质又可称为绝缘材料（in

2、sulating insulating materialmaterial）或绝缘体（）或绝缘体（insulatorinsulator） 电介质的分类电介质的分类分类原则分类原则分类分类物质组成特性物质组成特性无机电介质和有机电介质无机电介质和有机电介质物质的聚集态物质的聚集态气体介质、液体介质及固体介质气体介质、液体介质及固体介质物质原子排列的有序化物质原子排列的有序化晶体电介质和非晶态电介质晶体电介质和非晶态电介质组成分子的电荷的空间分布组成分子的电荷的空间分布 极性电介质和中性电介质极性电介质和中性电介质介质组成成分的均匀度介质组成成分的均匀度均匀介质和非均匀介质均匀介质和非均匀介质2.1

3、 电介质及其极化电介质及其极化2.1.1 平板电容器及其电介质平板电容器及其电介质平行板电容器平行板电容器 ，真空中电容，真空中电容C0：mFdAC/1085.82000当板间存在电介质时：当板间存在电介质时：dACr0相对介电常数相对介电常数：0r 真空平板电容间嵌入一块电介质，当加上外电场时，真空平板电容间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正电极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近则在正电极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近的介电表面感应出正电荷，这种感应出的表面电荷称为的介电表面感应出正电荷，这种感应出的表面电荷称为感应电荷，感应电荷，或者或者束缚电荷束缚电荷。 电介质在电场作用

4、下产生束缚电荷的现象电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为称为电介质的极化电介质的极化。根据分子的电结构，电介质有两类：根据分子的电结构，电介质有两类：非极性分子电介质非极性分子电介质：正负电荷统计重心重合。：正负电荷统计重心重合。极性分子电介质极性分子电介质：正负电荷统计重心不重合，：正负电荷统计重心不重合，存在电偶极子。存在电偶极子。2.1.2 极化相关物理量极化相关物理量极性分子的电偶极距：极性分子的电偶极距：Ql电极化强度电极化强度P：电介质极化程度的量度。：电介质极化程度的量度。EVPr) 1(0电极化率电极化率e：1re电位移电位移D：电容器极板上自由电荷面密度。：电容器极板上自

5、由电荷面密度。PEED02.1.3电介质极化机制电介质极化机制2.1.3.1 电子、离子位移极化电子、离子位移极化 （1）电子位移极化（）电子位移极化（Electronic Polarizability）特点：特点： 响应快，响应快，10-1410-16s完全弹性完全弹性在所有电介质中存在在所有电介质中存在3034ReR：原子半径：原子半径（2）离子位移极化）离子位移极化离子位移极化率离子位移极化率0341naa离子弹性位移极化：离子弹性位移极化： 弹性，弹性，10-1210-13s2.1.3.2 弛豫（松弛）极化弛豫（松弛）极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛质点：材料

6、中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点松弛极化：松弛质点 由于由于热运动热运动使之分布混乱，使之分布混乱， 电场力电场力使之使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：松弛极化的特点： 比位移极化移动较大距离，移动时需比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒克服一定的势垒， 极化极化建立时间长建立时间长， 需吸收一定的能量，是一种需吸收一定的能量，是一种非可逆过程非可逆过程。（1）电子松弛极化）电子松弛极化材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处

7、于激发态；量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。极化，使介电材料具有异常高的介电常数。极化过程不可逆。极化过程不可逆。极化建立时间约为极化建立时间约为10-210-9s。（2）离子松弛极化）离子松弛极化结构正常区结构正常区 缺陷区缺陷区U松松U松松U导电导电离子热弛豫极化率离子热弛豫极化率kTqaT1222 特点：特点： 1、与导电不同、与导电不同

8、 2、随温度升高，极化率下降、随温度升高，极化率下降 3、极化率较位移极化大一个数量级，介电常数较大、极化率较位移极化大一个数量级，介电常数较大 4、离子弛豫极化时间、离子弛豫极化时间10-210-5s。2.1.3.3 取向极化取向极化取向极化：取向极化： 具有恒定偶极矩的极性分子在具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场外加电场作用下，偶作用下，偶极子极子发生转向发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极宏观偶极矩矩。取向极化比电子极化率高得多。取向极化比电子极化率高得多。E2.1

9、.3.4 空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化：空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。极化。-+-+-+外电场外电场P 各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电极化的电介质种类介质种类极化的频极化的频率范围率范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移电子位移极化极化一切陶瓷一切陶瓷直

10、流直流光频光频无关无关无无离子位移离子位移极化极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛离子松弛极化极化离子不紧离子不紧密的材料密的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移电子位移松弛极化松弛极化高价金属高价金属氧化物氧化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷空间电荷极化极化结构不均结构不均匀的材料匀的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有空间电荷极化空间电荷极化松弛极化松弛极化离子极化离

11、子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系2.2 介电强度介电强度2.2.1 介质在电场中的破坏介质在电场中的破坏当陶瓷或聚合物用于工程中做绝缘材料、电容器材料和封当陶瓷或聚合物用于工程中做绝缘材料、电容器材料和封装材料时，通常都要经受一定的电压梯度的作用。装材料时，通常都要经受一定的电压梯度的作用。如果材料发生如果材料发生短路短路，则这些材料就失效了。这种失效就是，则这些材料就失效了。这种失效就是介电击穿。介电击穿。引起材料击穿的电压梯度引起材料击穿的电压梯度(V/cm)称为材料的称为

12、材料的介电强度介电强度或或介介电击穿强度电击穿强度。2.2.2 电击穿电击穿 固体介质电击穿的碰撞电离理论：固体介质电击穿的碰撞电离理论：在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些电子，这些电子被加速，获得动能；些电子，这些电子被加速，获得动能；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；稳定的电导；当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振

13、动能量时，电子动能越来越大；电子动能越来越大；大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。发生击穿。热击穿热击穿处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。雪崩式击穿雪崩式击穿本征击穿本征击穿击穿主要由所加电场决定

14、击穿主要由所加电场决定本征击穿本征击穿+热击穿热击穿2.2.3影响击穿强度的各种因素影响击穿强度的各种因素（1）介质结构的不均匀性）介质结构的不均匀性无机材料组织结构往往包括晶相、玻璃相和气孔等。它无机材料组织结构往往包括晶相、玻璃相和气孔等。它们具有不同的介电性，因而在同一电压作用下，各部分们具有不同的介电性，因而在同一电压作用下，各部分的场强都不同。的场强都不同。主要由于电导率、介电常数以及厚度不同所致。主要由于电导率、介电常数以及厚度不同所致。材料组织结构不均匀性可能引起击穿强度下降。材料组织结构不均匀性可能引起击穿强度下降。双层介质的电场强度双层介质的电场强度1 1 1 1 d d1

15、12 2 2 2 d d2 2E对双层介质加直流电压，对双层介质加直流电压，电导率小的介质，承受较高场强，而电导率大的介质其电导率小的介质，承受较高场强，而电导率大的介质其场强低。场强低。如果两者电导率相差甚大，则必然使其中一层的场强远如果两者电导率相差甚大，则必然使其中一层的场强远大于平均电场强度，从而导致这一层可能优先击穿，其后大于平均电场强度，从而导致这一层可能优先击穿，其后另一层也将击穿。另一层也将击穿。交流电压下也有类似关系。交流电压下也有类似关系。则各层内的电场强度为则各层内的电场强度为（2）材料中气泡的作用）材料中气泡的作用 气泡的介电常数和电导率都很小，受到电压作用时气泡的介电

16、常数和电导率都很小，受到电压作用时其电场强度很高；其电场强度很高； 气泡本身抵抗电场强度比固体介质要低得多。气泡本身抵抗电场强度比固体介质要低得多。(一一般陶瓷介质的击穿场强为般陶瓷介质的击穿场强为80KV/cm，而空气介质击穿，而空气介质击穿场强为场强为33KV/cm)。 气泡首先击穿，引起气体放电气泡首先击穿，引起气体放电(内电离内电离)。这种内电。这种内电离产生大量的热，易造成整个材料击穿。离产生大量的热，易造成整个材料击穿。 固体介质常处于周围气体媒质中，击穿时常常固体介质常处于周围气体媒质中，击穿时常常发现固体介质并未击穿，只是火花掠过它的表面，发现固体介质并未击穿，只是火花掠过它的

17、表面，称之为称之为固体介质的表面放电固体介质的表面放电。（3）材料表面状态）材料表面状态自身表面加工情况、清洁程度；自身表面加工情况、清洁程度；表面周围的介质及接触等。表面周围的介质及接触等。固体介质表面尤其是与电极接触的表面常发生介质固体介质表面尤其是与电极接触的表面常发生介质表面放电表面放电，通常属于，通常属于气体放电气体放电。表面状态：表面状态：3）电场频率不同）电场频率不同随频率升高，击穿电压降低。原因是气体正离子迁随频率升高，击穿电压降低。原因是气体正离子迁移率比电子小，形成正的体积电荷。并且固体介质移率比电子小，形成正的体积电荷。并且固体介质本身也因空间电荷极化导致电场畸变，因而表

18、面击本身也因空间电荷极化导致电场畸变，因而表面击穿电压下降。穿电压下降。固体表面击穿电压常低于没有固体介质时的空气击穿电压固体表面击穿电压常低于没有固体介质时的空气击穿电压1）固体介质自身原因）固体介质自身原因陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起离子式高压极化离子式高压极化(空间电荷极化空间电荷极化)，使表面电场畸变，使表面电场畸变，降低表面击穿电压。降低表面击穿电压。2）固体介质与电极接触不良）固体介质与电极接触不良空气隙介电常数低，根据夹层介质原理，电场畸变，空气隙介电常数低，根据夹层介质原理，电场畸变，气隙易放电。介电常数越大，影响越显

19、著。气隙易放电。介电常数越大，影响越显著。2.3 压电性和热释电性压电性和热释电性2.3.1 压电性（压电性（piezoelectricity) 2.3.1.1 实验揭示的正压电效应实验揭示的正压电效应正压电效应正压电效应：当晶体受到机械力作用时，一定方向的：当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力大小表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力大小成线性关系。这种机械能转换成电能的过程，称为正成线性关系。这种机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。压电效应。逆压电效应逆压电效应：当晶体在外电场激励下，晶体的某些方：当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形

20、变向上产生形变(或谐振或谐振)的现象。的现象。对于某些电介质的单晶体，在其一些特定方向上加力，则对于某些电介质的单晶体，在其一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷。在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷。 六方晶系六方晶系. 理想单晶外形理想单晶外形: 30个晶面。个晶面。X，1，电轴：，电轴： 垂直此轴的面上压电效应最强；垂直此轴的面上压电效应最强；Y，2，机械轴：电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；，机械轴：电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；Z，3，光轴：，光轴： 无压电效应。光沿此方向入射无双折射现象。无压电效应。光沿此方向入射无双折射现象。(a)(a

21、)晶体呈中性；晶体呈中性；(b)(b)晶体极性仅为晶体极性仅为X X轴的正方向出现负电荷；轴的正方向出现负电荷；(c)(c)晶体极性仅为晶体极性仅为X X轴的正方向出现正电荷轴的正方向出现正电荷. .2.3.1.2 表征参数表征参数1、机械品质因数、机械品质因数压电陶瓷机械振动时内部能量消耗程度的参数压电陶瓷机械振动时内部能量消耗程度的参数Qm=2Wm/ Wm陶瓷滤波器陶瓷滤波器 高高Qm音响器件音响器件 接收型换能器接收型换能器 低低Qm 输入的机械能输入的机械能2、机电耦合系数、机电耦合系数综合反映压电陶瓷的机械能与电综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理参量。能之间耦合关系的物

22、理参量。K2 =电能转变为机械能电能转变为机械能输入的电能输入的电能K2 =机械能转变为电能机械能转变为电能3、压电常数、压电常数压电效应的数学表述：压电效应的数学表述：Q=dF比例系数比例系数d为压电系数。为压电系数。 进行正压电效应实验时，进行正压电效应实验时，在晶体的不同方向上接上电在晶体的不同方向上接上电极与冲击检流计，测量荷电极与冲击检流计，测量荷电量，以得出应力与电位移的量，以得出应力与电位移的关系。关系。以以a-石英晶体石英晶体为例，得出为例，得出应力与电位移的关系应力与电位移的关系:1T11=d11T1 d11 称为压电应变常量。左、右下标分别代表电学量和力学量，d11代表1方

23、向加的应力和1方向产生的束缚电荷。x方向x方向上受到正应力T1(N/m2)作用时，在x方向电极面上产生的束缚电荷Q，以及电荷密度(c/m2)与作用力成正比。国际单位制中D1=1D1=d11T1y y方向方向在y(2)方向作用正应力T2，测x(1)方向面上的电荷密度d12：y方向(2方向)受到作用力时，在x方向(1方向)具有的压电应变常量。 在z 方向施加应力T3，测x 方向面上的束缚电荷密度，发现冲击检流计无反应，即z z方向d13压电应变常量为零。利用同样方法，分别得到切应力T4 (xz平面)、T5 (xy平面)、T6 (yz平面) 作用下，在x 方向上的电位移和压电应变常量关系。切压力效应

24、结论：结论： 对于对于-石英晶体，无论哪个方石英晶体，无论哪个方向上施加力，在向上施加力，在z z方向的电极面上无压方向的电极面上无压电效应产生。电效应产生。x x方向总电位移D1=d11T1+d12T2+d14T4y方向的电位移z z方向的电位移D2=d25T5+d26T6D3=0m m：电学量j j：力学量压电应变常量特征1)压电应变常量是有方向的，且具有张量性质.2)因晶体结构对称原因，对于- -石英晶体，只有d d1111、d d1212、d d1414、d d2525、d d2626压电应变常量不为零。3）压电应变常量矩阵。4）其他压电系数。4、频率常数、频率常数 只与材料性质有关只

25、与材料性质有关棒形振动棒形振动h是，厚度振动是，厚度振动h是，是，薄圆片径向振动薄圆片径向振动h是直径是直径hf N05、居里温度、居里温度 当温度过高时当温度过高时,电偶极子就会回到无序状态电偶极子就会回到无序状态,在高在高过某一温度以上压电性就完全消失过某一温度以上压电性就完全消失,晶体成为有对称中晶体成为有对称中心的结构心的结构,这一温度称为压电材料的居里温度。一般材这一温度称为压电材料的居里温度。一般材料的工作温度建议在料的工作温度建议在01/2居里温度。居里温度。6、电退极化、电退极化 若在压电陶瓷上加一与原来的极化电场反向的强电场若在压电陶瓷上加一与原来的极化电场反向的强电场则往往

26、会引起退极化。则往往会引起退极化。 退极化电场的典型值在退极化电场的典型值在5001000V/mm。2.3.2 热释电性（热释电性（pyroelectricity) 某些晶体由于温度的变化，便会在某一方向两端产生某些晶体由于温度的变化，便会在某一方向两端产生数量相等而符号相反的电荷，如果将晶体冷却，电荷的变数量相等而符号相反的电荷，如果将晶体冷却，电荷的变化和加热时相反，这种现象称为化和加热时相反，这种现象称为热释电效应热释电效应 热释电效应是由于晶体中存在自发极化引起的，热释电效应是由于晶体中存在自发极化引起的，当晶体中存在有与其他极轴不相同的当晶体中存在有与其他极轴不相同的唯一极轴唯一极轴

27、时，才时，才会有热释电效应，这个极轴与结晶学上的会有热释电效应，这个极轴与结晶学上的“单向单向”重重合合 所谓单向是指晶体中唯一的不能用晶体本身的对所谓单向是指晶体中唯一的不能用晶体本身的对称操作与其他方向重合的方向称操作与其他方向重合的方向热释电材料必须满足的物理条件热释电材料必须满足的物理条件 必须是无对称中心的晶体，并且存在唯一的极轴；必须是无对称中心的晶体，并且存在唯一的极轴；只有十种点群的晶体符合这一条件。只有十种点群的晶体符合这一条件。 晶体必须是不导电的。晶体必须是不导电的。压电效应发生时，机械应力引起正、负电荷重心产压电效应发生时，机械应力引起正、负电荷重心产生相对位移，不同方

28、向上位移大小不等，所以出现净生相对位移，不同方向上位移大小不等，所以出现净电偶极矩；电偶极矩；当温度变化时，晶体受热膨胀在各方向同时发生，当温度变化时，晶体受热膨胀在各方向同时发生，且对称方向上必定有相等的膨胀系数。且对称方向上必定有相等的膨胀系数。石英是否具有热释电效应？石英是否具有热释电效应？2.4 铁电性（铁电性（Ferroelectricity）2.4.1 铁电体铁电体 电畴电畴铁电体是指在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向的晶体。1920年，法国，年，法国，Valasek，NaKC4H4O6 4H2O2.4.1.1铁电体与电滞回线铁电体与电滞回线当温度高于某一

29、临界温度当温度高于某一临界温度TcTc时，晶体的铁电性消失，而且时，晶体的铁电性消失，而且晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的居里点居里点 如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度才是居里点，而把铁电体发生相变时之间的一个相变温度才是居里点，而把铁电体发生相变时的温度统称为的温度统称为过渡温度过渡温度或或转变温度转变温度。 由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的。铁电体在过渡温度附近介电系数具依赖于外加电

30、场的。铁电体在过渡温度附近介电系数具有很大的值，数量级达到有很大的值，数量级达到10104 4 10105 5 当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里里外斯定律：外斯定律：Tc式中式中 为特性温度，它一般略低于居里点；为特性温度，它一般略低于居里点；c c称称为居里常数；为居里常数；而代表电子极化对介电常数的贡而代表电子极化对介电常数的贡献，在过渡温度时可以忽略。献，在过渡温度时可以忽略。 具有铁电的晶体可以分为两大类具有铁电的晶体可以分为两大类 一类是以一类是以磷酸二氢钾磷酸二氢钾为代表的，具有氢键，它们从顺为代表的，具有氢键，

31、它们从顺电相到铁电相的过渡是无序到有序的相变电相到铁电相的过渡是无序到有序的相变 另一类则以另一类则以钛酸钡钛酸钡为代表的，从顺电相到铁电相的过为代表的，从顺电相到铁电相的过渡，是由于其中两个子晶格发生相对位移渡，是由于其中两个子晶格发生相对位移 Ps：无电场时单畴的：无电场时单畴的自发极化强度；自发极化强度；Pr：剩余极化强度；：剩余极化强度；EC ：矫顽场强。：矫顽场强。铁电陶瓷的电滞回线铁电陶瓷的电滞回线2.4.1.2 电畴电畴晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂出一系列自发晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂出一系列自发极化方向不同的小区域，使其各自所建立的退极化电场互极化方向不同

32、的小区域，使其各自所建立的退极化电场互相补偿，相到整个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这相补偿，相到整个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域便称为些由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域便称为电畴电畴，分隔相邻电畴的界面称为分隔相邻电畴的界面称为畴壁畴壁 图图2 2 钛酸钡晶体中的电畴示意图钛酸钡晶体中的电畴示意图（a a）反平行的）反平行的180180电畴；电畴； （b b）相互垂直的）相互垂直的9090电畴电畴 电畴结构与晶体结构有关。电畴结构与晶体结构有关。例如：例如：BaTiOBaTiO3 3在在方晶系中有在在方晶系中有6060和和120120畴壁

33、；畴壁； 在菱形晶系中还有在菱形晶系中还有7171和和109109畴壁。畴壁。电畴壁具有一定的厚度。决定畴壁厚度的因素是各电畴壁具有一定的厚度。决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。种能量平衡的结果。 180180畴壁较薄为（畴壁较薄为（5 52020）1010-10-10m m； 9090畴壁较厚为（畴壁较厚为（5050100100）1010-10-10m m极化反转过程中电畴的运动可以用实验的方法动态地观察到。如果把电场沿着钛酸钡晶体的自发极化轴加到上图所示的试样上，实验表明，与电场方向一致的电畴并不通过其畴壁的侧向移动以牺牲反向畴为代价进行扩张，而是在反向畴内部沿着试样的边缘靠近电极处

34、生长出许多极化方向与电场方向一致的尖劈状新畴。新畴成核后便在电场作用下向前推进，穿透整个试样，如图所示。电场增强时，新畴不断出现，不断向前发展波及整个反向畴，最终便把这种反向电畴变成与外场方向一致，并与相邻的同向畴结合为一个体积更大的同向畴。 电滞回线是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。电滞回线是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。没有外电场时，晶体总电矩为零没有外电场时，晶体总电矩为零( (能量最低能量最低) )。施加外电场后，。施加外电场后，沿电场方向的电畴扩展、变大，与电场方向反向的电畴变小。沿电场方向的电畴扩展、变大，与电场方向反向的电畴变小。极化强度随外电场增加而增

35、加。极化强度随外电场增加而增加。(OA(OA段段) )电场强度继续增大，电场强度继续增大，最后晶体电畴都趋于电场方向，类似形成一个单畴，极化强最后晶体电畴都趋于电场方向，类似形成一个单畴，极化强度达到饱和。度达到饱和。(C(C处处) )继续增加电场，则极化强度继续增加电场，则极化强度P P与电场与电场E E成线性增加，沿这线成线性增加，沿这线性外推至性外推至E E0 0处，相应的处，相应的PsPs值就是饱和极化强度，也就是值就是饱和极化强度，也就是自发极化强度。电场强度自自发极化强度。电场强度自C C处下降，晶体极化强度亦随之处下降，晶体极化强度亦随之减小，在减小，在E E0 0时，仍存在极化

36、强度，就是剩余极化强度时，仍存在极化强度，就是剩余极化强度PrPr。当反向电场强度为当反向电场强度为-EC-EC时时( (图中图中F F点处点处) )，剩余极化强度，剩余极化强度PrPr全全部消失，部消失，EcEc就是矫顽电场强度。就是矫顽电场强度。反铁电体反铁电体立方相立方相120 ABO3四方相四方相正交相正交相0 2.4.2 2.4.2 铁电体起源与晶体结构铁电体起源与晶体结构BaTiO30.03 0.12 0.06 Ba2+O2-Ti4+2.4.2.2 2.4.2.2 铁电性、压电性与热释电性之间的关系铁电性、压电性与热释电性之间的关系铁电体铁电体热释电体热释电体压电体压电体介电体介电

37、体2.4.3 2.4.3 铁电体的临界性质铁电体的临界性质外部条件外部条件( (电场、应力、温度、电场、应力、温度、压力压力) ) 变化，可以引起铁电体极变化，可以引起铁电体极化强度化强度P P 的变化。的变化。罗息盐在常压下有两个居里点：罗息盐在常压下有两个居里点：2424称称上居里点上居里点；-18-18称为称为下下居里点居里点。在两者中间的温度范围。在两者中间的温度范围内属于铁电体。内属于铁电体。环境因素对铁电体性质的影响环境因素对铁电体性质的影响一级相变和二级相变。一级相变时，比热容会发生突变伴一级相变和二级相变。一级相变时，比热容会发生突变伴随着有潜热产生，自发极化在居里点处突然下降为零。钛随着有潜热产生，自发极化在居里点处突然下降为零。钛酸钡、酸钡、PZTPZT等铁电体即属于这一类。二级相变只呈现比热等铁电体即属于这一类。二级相变只呈现比热容大的改变，