材料的铁电性能.pptVIP

压电性：是某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。 在各向同性的物体里，原则上不存在压电性。 一、压电效应 1．压电效应与压电常数 1）正压电效应 当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用力反向时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。称为正压电效应。 2）逆压电效应 石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。称为逆压电效应。 正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。 * 3）晶体的压电效应的本质 （1）正压电效应的本质 是因为机械作用(应力与应变)引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。 晶体压电效应的机理: 图中(a)表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为0，因而晶体表面不荷电。 但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电； * 图6.36 压电效应机理示意因 (b)为晶体在压缩时荷电的情况； (c)是拉伸时的荷电情况。 在后两种情况下，晶体表面电荷符号相反。 （2）逆压电效应的本质 如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重心产生位移。这一位移又导致晶体发生形变，这个效应即为逆压电效应。 4）电荷与应力的关系 （1）正压电效应 电荷与应力是成比例的，用介质电位移D(单位面积的电荷)和应力T表达如下： D = dT (6.123) 式中D的单位为C／m2，T的为N／m 2，d称为压电常数(C/N)。（2）逆压电效应 其应变S与电场强度E(v／m)的关系为 S = dE (6.124) 对于正和逆压电效应，比例常数d在数值上是相同的 d = D/T = S/E 实际在以上表示式中，D，E为矢量，T，S为张量(二阶对称)。 * 2．压电效应的方程式 完整地表示压电晶体的压电效应中其力学量(T，S)和电学量(D，E)关系的方程式叫压电方程。下面简单介绍只有一个力学量或电学量作用的情况(即只有一个自变量)。 1）正压电效应 根据定义可写出方程式： D1 = d11Tl + d12T2 + d13T3 + d14T4 + d15T5 + d16T6 D2 = d21Tl + 212T2 + d23T3 + d24T4 + d25T5 + d26T6 D3 = d31Tl + d32T2 + d33T3 + d34T4 + d35T5 + d36T6 (6.125) 式中d的第一个下标代表电的方向，第2个下标代表机械的(力或形变)方向。 实际使用时由于压电陶瓷的对称性，脚标可简化，压电常数的矩阵是 * 2）逆压电效应 逆压电效应方程式可归纳为： 6.127) 式中E1、E2、E3为施加电场E的分量； S1、S2、S3为应变分量。 在逆压电效应中常数d的第一个下标也是“电的”分量，而第二个下标是机械形变或应力的分量。 如果同时考虑力学参量(T，S)和电学参量(E，D)的复合作用，可用简式表示如下： 6.128) 式中，εT在恒定应力(或零应力)下测量出的机械自由介电常数，SE为电短路情况下测得的弹性常数。由于压电材料沿极化方向的性质与其它方向性质不一样，所以其弹性、介电常数各个方向也不一样，并且与边界条件有关。 * 二、压电振子及其参数 压电振子是最基本的压电元件，它是被覆激励电极的压电体。 样品的几何形状不同，可以形成各种个同的振动模式 表征压电效应的主要参数，除介电常数、弹性常数和压电常数等压电材料的常数外，还有表征压电元件的参数，谐振频率、频率常数和机电耦合系数。 1．谐振频率与反谐振频率 若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于fr时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助于正压电效应而输出电信号。 * 图6.40压电振子的阻抗