材料科学与技术第18课

第五章功能材料第一节绝缘陶瓷（材料）主要两个使用方面：属于一般电介质材料在电力工程上：电绝缘、绝缘支撑件（如绝缘子）要求不仅电绝缘性好、导热性或传热性也好在微电子领域：电路极板和电子元器件的封装或一般电容器中的介质功能电介质在电子工程、机电转换、光学、红外探测等中发挥独特的作用特殊性质：强介电性、压电性、铁电性或热释电性等具有特殊性质的陶瓷电介质材料：真正意义上的功能电介质将要学习的陶瓷材料在具体介绍这些材料之前，为了使大家一开始就对它们的区别与联系有清醒的认识，我们首先来回顾和补充材料的介电、铁电、压电性，然后再介绍材料的热释电性，最后给出它们的区别与联系第二节介电、铁电、压电、热释电性概述第二节介电、铁电、压电、热释电性概述一、材料的介电性回顾材料在电场作用下表现出的对静电能的储存和损耗的性质平行板电容器电场的能量：(1)材料具有的部分（或全部）隔断电场的性质平行板电容器中场强：真空：电介质：(2)什么是材料的介电性？金属在外电场中达到静电平衡时，其内部场强为零－完全阻断电场金属的介电性最强：金属的介电性是来源于自由电子在电场作用下的位移或极化所引起的屏蔽效应基本上不涉及束缚电荷，不把金属的介电性列入电介质物理研究的范畴电介质：绝缘材料极化后只能部分减弱其内的电场正负电荷在电场作用下的分极电介质介电性或极化的本质？电介质极化几种机制：偶极分子的取向极化（1）分子极化：电子位移极化、离子位移极化、（2）电子或离子弛豫极化（3）空间电荷极化电子位移极化：所有由分子或原子组成的物质离子位移极化：由离子键结合的物质偶极分子的取向极化：有极分子电介质电子或离子弛豫极化：内部含有弱束缚的电子或离子的电介质空间电荷极化：内部含有过剩电荷的电介质各种极化机制的对象？明确点：（1）极化是过程、需要时间、需克服阻力（耗能）（2）不同机制极化的极化建立时间不同介质频散(色散)和介质损耗二、材料铁电性回顾与补充具有很强电偶极矩的小区，小区内各晶胞的具有固有电偶极矩、且方向相同各电畴电偶极矩取向不同、任意体积元内的所有电畴电矩的矢量和为零即使是铁电晶体材料通常也不是单电畴晶体铁电陶瓷：铁电晶粒及非晶相组成未受电极化时更不可能具有电性1、回顾电畴是什么－由什么组成铁电性的根源是材料中含有电畴？？未受电极化的铁电材料为什么不显电性？铁电材料（铁电畴）的重要特征：外电场中的畴转向－趋向于外电场的方向畴壁移动、转向、新畴的形成的过程，需要时间、需要克服内摩擦电滞现象（1）

单电畴铁电晶体为什么不容易形成？2、补充说明单电畴晶体晶体两端面有正负束缚电荷单电畴晶体储有静电能是高能、不稳定态晶体生长受机械约束、整个单晶体分成多个电偶极矩方向不同的小区域—电畴（2）铁电晶体的电畴类型－相邻电畴电偶极矩间的夹角绝大部分铁电晶体属钙钛矿型结构CaTiO3不同的温度范围内有不同的晶相四方晶系：结构畸变沿在一个轴向发生（c轴伸长或缩短）正交晶系：畸变沿两个轴向发生斜方或三方：畸变沿体对角线[111]方向发生畸变使一些钙钛矿晶体的晶胞的正、负电荷中心不重合、具有偶极矩不同化合物的转变温度往往是不同的温度：高低晶相：立方四方或正交斜方或三方相邻电畴极化方向可能相差90℃或180℃90°畴、180°畴电畴壁电畴壁相应的畴壁：90°畴壁、180°畴壁铁电晶体的电畴类型自发极化方向可沿三个相互垂直晶轴的正、负方向四方晶相和正交晶相铁电晶体：斜方晶系：自发极化方向沿原立方相的面对角线除90°畴和180°畴外，还可能存在60°畴和120°畴三方晶系：自发极化沿原立方体的体对角方向除180°畴外，还可能存在60°畴和120°畴或71°畴和109°畴典型钛矿型铁电晶体BaTiO3的几种晶相：T＞120℃立方晶系不存在自发极化无铁电性0℃～120℃四方晶系自发极化沿原立方相的C轴T＜－90℃三方晶系自发极化沿原立方体的体对角方向－90℃～0℃斜方晶系自发极化沿原立方相的面对角线T＞1460℃、由立方晶系转为六方非铁电相晶系侧视图立体图四方铁电相由铁电畴组成、是离子或含离子基团的分子组成的无对称中心体系铁电晶体：三、材料压电性回顾一个古老而又充满活力的课题1880：Piere.CurieandJacques.Curie发现压电今天：电介质领域最热门的研究课题电介质物理会议功能材料会议压电效应？负或逆压电效应或电致伸缩正压电效应是否所有东西都能压出电？只有压电体压电性的本质：具有压电性的条件－压电体是什么？（2）结构上：无对称中心（必要条件）（1）组成上：有离子或离子团（必要条件）充分必要作用力材料应变（离子间相对位置改变）使原来重合正负离子中心变为不再重合、产生电偶极矩或改变了原来正负离子中心不重合的状态、产生附加电偶极矩必须是无对称中心的离子晶体或含离子团的分子晶体压电晶体不仅是无对称中心的离子晶体或含离子团的分子晶体，由铁电畴组成铁电晶体：（2）非铁电性压电晶体、压电性较弱（1）铁电晶体必是强压电晶体；但压电晶体未必具有铁电性－未必是铁电晶体总结非铁电性压电晶粒组成的陶瓷有无压电性？无压电性、晶粒取向混乱压电陶瓷是什么？铁电性、由铁电晶粒及非晶相的组成极化、电畴取向强压电性四、热释电效应及热释电材料具有自发极化的材料：（1）极化后铁电晶体与铁电陶瓷极化后各电畴沿电场取向、具有自发极化（2）另一类晶体－被称为热释电晶体只能沿唯一的方向产生自发极化－又被称为单轴铁电体具有自发极化、电场不能改变其自发极化的方向与自发极化方向垂直的材料两个端面上存在束缚电荷自发极化温度变化引起材料自发极化变化.自发极化温度升高自发极化减小热释电效应的定义（1）材料中自发极化强度随温度的变化而变化的效应.（2）温度变化引起材料中自发极化改变、表面产生净电荷的现象（3）材料中自发极化随温度变化而释放表面吸附的部分电荷自发极化温度升高浮游电荷其性质称为热释电性（4）具有自发极化材料温度发生变化时会在外部电路产生电流自发极化温度升高自发极化减小AAI电流热释电材料：具有热释电性的材料－具有自发极化的材料晶体和铁电陶瓷晶体：铁电晶体、热释电晶体铁电晶体：电畴的自发极化方向不同，但经外电场极化处理后、具有沿外场方向的极化电偶极矩如：硫酸三甘肽等多轴铁电体热释电晶体：自发极化方向唯一、且不能被外电场转向如：等单轴铁电体铁电陶瓷：经外电场极化处理、具有剩余极化、象极化了的铁电晶体一样、具有热释电性具有唯一的自发极化方向（极轴）热释电晶体：无对称中心的离子晶体或含离子基团的分子晶体五、介电性、压电性、热释电性、铁电性的关系介电性：所有电介质都具有的性质，对其组成和结构无特殊要求不同电介质具有不同的介电性压电性：压电体：组成上必需是离子或含离子基团的分子结构上必需无对称中心（1）一般压电晶体（无自发极化）具有压电性（2）铁电晶体或铁电陶瓷具有强压电性（3）热释电晶体具有强压电性（自发极化方向唯一、无需极化取向、也不能极化）（有自发极化、需极化取向）热释电性：热释电体所具有的性质热释电体:热释电晶体、（极化了的）铁电晶体和陶瓷一般压电晶体（无自发极化）无热释电性？压电效应：机械应力引起正负电荷产生相对位移、不同方向上的离子的位移不同、出现净电偶矩晶体受热膨胀：在各个方向上的同时发生，并且在对称方向上有相等的膨胀系数、引起的电荷相对位移相等正负电荷重心相对位置不会因温度变化而改变石英不产生热释电效应例：铁电性：铁电体（晶体和陶瓷）所具有的性质有多个自发极化（铁电畴）方向，且自发极化可沿电场取向电场极化电滞回线一般电介质一般压电晶体热释电晶体铁电体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自发极化自发极化极轴唯一多个极轴电介质、压电晶体、热释电晶体、铁电体特性总结铁电性热释电性压电性介电性介电性、压电性、热释性、铁电性关系总结六、晶体电性能与结晶点群的关系结晶学点群总数：32种中心对称的：11种－无压电性11种中心对称点群：

1，2/m,3,4/m,6/m，mmm，3m，4/mmm，6/mmm，m3，m3m非中心对称的：21种，具有压电性的20种一种432对称性较高、几乎无压电性1，2，3，4，6，m，m