第八章-材料的压电性能和铁电性能概要.ppt

材料的压电性能与铁电性能 压电效应1880年发现．铁电体1920年发现，铁电体是重要的功能材料 第一节 压电性能 一 压电效应的基本原理 1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象 2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶体表面无荷电． 对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电 3 正压电效应 4 逆压电效应 具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负电荷中心的位移，导致晶体发生形变 第一节 压电性能 5 压电材料 机电耦合效应 二 压电振子与压电方程 1 压电振子及其特征频率 （1）压电振子的基本概念 压电振子固有振动频率fr (2)最小阻抗频率fm 振子阻抗为最小的频率 (3)最大阻抗频率fn 振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效电路图 第一节 压电性能 (5) 特征频率的含义 第一节 压电性能 2 边界条件 机械边界条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路 压电振子共有四类边界条件 第一节 压电性能 三 压电性能的主要参数 1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能） 2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗 3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律 4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数 5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量 6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力 它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij、gij、 eij、 hij。 它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映。它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数等参数有关，是一个比较综合性的参数。其值总是小于1。 第一节 压电性能 四 压电材料的应用 1日常生活应用 煤气炉、汽车发动机等所用的压电点火器．电子手表所用的压电谐振器，声控门、报警器，验证个人笔迹和声音特征的压电力敏传感器等 2电子学领域应用 信号处理器、存贮显示器、信号发生器及各类计量测试元件等 3高灵敏度、高可靠性的传感器 压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器 第二节 热释电与铁电性能 一 自发极化及其微观机制 1自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的 晶胞中正负电荷中心不重合，晶胞的固有偶极矩会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态 具有自发极化的晶体必然是个带电体，其电场强度取决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移，则极化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移，对于任何一个单个的A离子，即使无外场作用，也有来自周围极化P所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应 束缚在表面的自由电荷层有一部分可恢复自由释放出来，使晶体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流 第二节 热释电与铁电性能 二晶体的热释电效应 1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应 有压电性的晶体不一有热释电性 2 热释电性能表征 （1）热释电系数 表示热释电效应的强弱 与晶体所处状态有关 第二节 热释电与铁电性能 （2）逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变化 （3）热释电红外敏感元件 ①能充分吸收入射的红外线 ②热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度 三晶体的铁电性 1 铁电体的特性 （1）铁电性的基本概念 晶体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下其取向可以随电场改变 第二节 热释电与铁电性能 （2）铁电体的共同特性 ①具有电滞回线 ②具有结构相变温度，即居里点 ③具有临界特性