电介质材料(压电与铁电材料1)教材课程.ppt

Ps：无电场时单畴的自发极化强度； Pr：剩余极化强度； EC ：矫顽场强。 P 铁电陶瓷的电滞回线 E O A B EC Pr C Ps 自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶极子混乱排列被局部电场所克服，而产生偶极子取向一致的现象，此时晶体中每一个晶胞里存在固有的电偶极矩，形成永久偶极矩。这种电偶极子在无任何外场作用时自发一致排列。 极性晶体：具有自发极化特性的晶体。 铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。 铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 电介质材料Dielectric Materials （piezoelectric material ） 电介质材料之压电材料 铁电体 热释电体 压电体 介电体 一 概述 当你在点燃煤气灶，热水器或打火机时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应，压电陶瓷就是一种常用的压电材料。 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能 。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。 1. 基本概念 压电晶体产生压电效应 + + + - - - - - - + + + + - + + + - - - ± 未加应力 加应力不产生极化 加应力产生极化， 正负电荷中心分开 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比： D=d T 或?? σ =d T?? ??????????????????????????? 式中? d——压电常数矩阵。 当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 压电效应 (a)正压电效应；(b)压电效应的可逆性 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S= dt E 式中 dt——逆压电常数矩阵。 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 可见，具有压电性的电介质(称压电材料)，能实现机-电能量的相互转换。 （4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内贮存的机械能与损耗的机械能之比。 压电材料 目前压电材料可分为三大类： 一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶； 二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料， 又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。 在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。 石英晶体 石英晶体的外形(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形 理想石英晶体坐标系 石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石英。 在讨论晶体机电特性时，采用xyz右手直角坐标较方便，并统一规定：x轴与a(或b、d)轴重合，谓之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y轴垂直m面，谓之机轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴与c轴重合，谓之光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。 压电石英的主要性能特点是： (1) 压电常数小，时间和温度稳定性极好； (2) 机械强度