铁电功能材料概要.ppt

第五章 铁电功能材料 第五章 铁电陶瓷材料 铁电体(ferroelectrics)是电介质的一个亚类,其基本特征是具有自发电极化并且这种电极化可以在外电场作用下改变方向。由于自身结构的原因，铁电体同时具有压电性和热释电性，此外一些铁电晶体还具有非线性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应等。铁电体这些性质使它们可以将声、光、电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功能材料。 1.1、基 本 概 念 第五章 铁电功能材料 电介质的极化与铁电性 材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，这类材料称为导电材料。另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现象称为电介质的极化。 第五章 铁电功能材料 电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩，它与铁电性有密切关系。 第五章 铁电功能材料 电介质的极化有3种主要基本过程，即材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化；分子中正、负离子相对位移造成的离子极化和分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。 第五章 铁电功能材料 介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在联系。 按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点群，见书中表4-1。其中有20种点群不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性形变而改变，因而具有压电性并称为压电体。在压电体中具有唯一极轴（又称为自发极化轴）的10种点群可出现自发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极化。它们因受热产生电荷，故称为热释电体。在这些极性晶体中，因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便是铁电体。因此，凡是铁电体必然是热释电体，而热释电体也必然是压电体。 第五章 铁电功能材料 铁电体的定义是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。铁电体的两个特点是：一是具有电滞回线，另一个是具有许多电畴。所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。 1.2、晶 体 结 构 1. 铁电材料的钙钛矿结构 离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才能组成ABO3结构： RA+RO=√2 t （RB+RO） 式中t为容差因子，可以在0.9~1.1范围内，这样A离子半径约为1.00~1.40A，B离子半径约为0.45~0.75，氧离子半径为1.32A。 1.3、 特 性 第五章 铁电功能材料 铁电晶体内自发极化一致的区域称为电畴。铁电体中一般包含着多个电畴。两个相邻电畴自发极化间的夹角可以为180?或90 ? ，分别称为180 ?畴和90 ?畴。 第五章 铁电功能材料 铁电体的电滞回线 电滞回线是铁电体的一个特征。它表示铁电晶体中存在电畴。它是铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹，见书中图4-1。 饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr 矫顽电场强度Ec 1.4、典型材料与应用 BaTiO3在室温附近（20℃）为铁电相，当温度高于居里温度（120℃），铁电相转变为顺电相。顺电相BaTiO3的结晶学原胞如图所示： 第五章 铁电功能材料 铁电陶瓷材料的应用 1、高介电常数的电容器（铅基铁电陶瓷）2、陶瓷图像储存-显示器（PLZT陶瓷） 3、精密位移器和应力计（PMN基陶瓷） 顺电相BaTiO3的结晶学原胞 整个BaTiO3晶格可以看成是由Ba、Ti、OⅠ、OⅡ、OⅢ各自构成的简单立方格子套构而成。 在钙钛矿结构中，有一种非常重要的结构---氧八面体结构。钙钛矿结构中氧八面体结构和金刚石结构中的正四面体结构是固体物理学中两类非常重要的典型结构。 BaTiO3的介电-温度特性 介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介电常数一般为3000～5000，在居里温度处（120℃）发生突变，可达10000以上。 在居里温度以上， BaTiO3的介电常数随温度的变化遵从居里-外斯定律： 其中：AT为居里—外斯常数；Tc为居里温度（120℃） 上式化为： 表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示： 其中：C20为陶瓷样品在20℃时的电容（1KHz）； CT为陶瓷样品在温度T时的电容（1KHz） Z5V型电容器瓷料，10℃