功能陶瓷材料及应用（铁电陶瓷篇）2.ppt

1、3 电滞回线 电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的一个重要标志,一般用Sawyer-Tower 电路测试 Pr-the remanent polarization lead-containing ferroelectrics: 30 40C/cm2 Ec-the corcive field: from 2KV/cm to 120KV/cm,Typical hysteresis loops from various ferroelectric ceramics,(A) BaTiO3 capacitor (B) soft PZT (C) PLZT 8.6/65/35 (D) PZS

2、T antiferroelectric materal,Informations obtained from a hysteresis loop:,Memory or no memory High Pr relates to high interal polarizability, strain, electromechanical coupling, and electrooptic activity For the given material, larger grain size lower Ec smaller grain size higher Ec A high degree of

3、 loop squareness indicates better homogeneity and uniformity of grain size,Internal space charge/aging internal electric bias off-centered loop The sharpness of loop lips indicates a high electrical resistivity The slope of the P-E loop at any point along the loop is equal to the large-signal dielec

4、tric constant,单晶与陶瓷的电滞回线,温度对电滞回线的影响,BaTiO3的电滞回线,4 反铁电体,相邻晶格中的铁电活性离子沿反平行方向产生自发极化，形成两组反向极化的子晶格，宏观上不呈现自发极化。,反铁电体的介电性质在居里点处也出现反常，介电常数在居里温度以上服从居里外斯定律,反铁电铁电相变与双电滞回线,电场诱导反铁电铁电相变 场致相变伴随较大的应变(比逆压电效应高一个数量级) PbZrO3是典型的反铁电体,5 铁电相变与临界现象 铁电相变-结构相变,如: BaTiO3的结构相变与自发极化,m3m 130oC 4mm 0oC mm2 -90oC 3m Ps: 001 110 111

5、,居里温度-转变温度,BaTiO3的结构相变,铁电体的临界现象-“介电反常”,介电常数反映电畴在电场下转向的难易程度 在Tc下,电畴定向的活化能接近于零, 微弱电场足以使其定向, 故介电常数最大,当温度高于居里温度时，介电常数随温度的变化关系遵从CurieWeiss定律： C / (T-To) 其中: -介电常数，C-居里常数，To-特征温度,6 铁电体的功能效应,通过热力学理论可以推导出铁电体在电-力-热作用下的功能效应和功能参数的相互关系 热力学唯象理论 热力学参量: (E,D), (T,S), (,K),基本效应电学、力学、热力学 铁电体因具有自发极化且外电场下可反转，具有高的介电常数。

6、 热电耦合效应热释电效应 dPs = pdT, p-热释电系数, C/m2K 光电耦合效应电光效应 电控可变双折射效应 电控可变光散射效应 机电耦合效应电致伸缩效应和压电效应 电致伸缩：x = QP1P2, 二次非线性耦合效应 压电效应：D = dX,一次线性耦合效应 逆压电效应：x = dE, 一次线性耦合效应,7 铁电体的相变热力学,Devonshire 把Landau的相变热力学理论推广应用到铁电相变，序参量P 基本思路： (a) 将Gibbs自由能G(或弹性自由能G1)按P展开 G1= 1/2g2P2+1/4g4P4+1/6g6P6 (b) 相变平衡状态，G1取极小值 (c) 求解，并

7、按指前项的符号分析G1随P的变化规律,当E 0时，P Ps，去高次项后，GP可改写为： GP = Ps (g2 + g4Ps2 + g6Ps4) = 0 Ps = 0 为上式的一个解， 对应于 c, 晶体不存在自发极化的情形 若使括号内方程等于零，则:,在g4 0, g42 g2g6及g4 0时，可得Ps 0的解，对应于 c时，晶体呈现自发极化，显示铁电性。 必须：g6 0, 因如g6 0, P ,则G ，即自发极化无穷大的状态是晶体的稳定状态，不合理。,二级相变 （g4 0，g6 0） g2与温度呈线性关系，引入：g2 = (-0),（该假定实际上是表明顺电相的介电常数的变化复合Curie-

8、Weiss定律），略去g6项， Ps(-0) + g4Ps2 = 0 即：Ps 0或 （1）当0时，外加电场E0，仅有实根为Ps0，此时0为居里温度c （2）当0, Gibbs自由能的极小值出现在,熵变：,g2 = (-0), g4、g6与温度无关，k = -1/2 Ps2 当0时，Ps0，k=0,说明c时熵变为0，即无滞热 比热变化：,二级相变的特征: Tc处，Ps连续变化，无潜热，比热突变,一级相变（g40） Ps(-0)-g4Ps2 + g6Ps4=0 (1)当0时，有两个实根 Ps0， 在Ps0处，Gp=0, Gp”0, Gibbs自由能出现极小值； 在处，同样Gp=0, Gp”0, Gibbs自由能也出现极小值，两个极小值相等，所以在转变温度c时，铁电相和非铁电相共存，其自由能相等。 （2）当0, Gibbs自有能出现极小值。,特征温度：,对于BaTiO3, c = 0+7.7 (K),一级相变特征： Ps突变，有相变潜热，比热突变,总结: 铁电体的特征与临界现象,存在Ps, 在E 下Ps可重行定向 电