無(wú)機(jī)材料介電性能

1、晶體的介電性：電場(chǎng)作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的晶體的介電性：電場(chǎng)作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象現(xiàn)象. P= ( 1 o)E = o ( r- 1) E正壓電效應(yīng)：電介質(zhì)材料在小外力作用下，在某正壓電效應(yīng)：電介質(zhì)材料在小外力作用下，在某些相對(duì)應(yīng)的表面上產(chǎn)生等量異號(hào)電荷，由形變產(chǎn)些相對(duì)應(yīng)的表面上產(chǎn)生等量異號(hào)電荷，由形變產(chǎn)生電極化。生電極化。D=d T（不具有對(duì)稱中心的晶體：水（不具有對(duì)稱中心的晶體：水晶、羅息鹽、閃鋅礦）。晶、羅息鹽、閃鋅礦）。逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)： S=dtE電致伸縮效應(yīng)：電致伸縮效應(yīng)：電介質(zhì)在大外力作用下，需考慮電介質(zhì)在大外力作用下，需考慮非線性項(xiàng)。非線性項(xiàng)。S=vE26.5 鐵電

2、性與壓電性鐵電性與壓電性6.5.1 概述概述 熱釋電效應(yīng)：在熱平衡條件下，電介質(zhì)因自發(fā)熱釋電效應(yīng)：在熱平衡條件下，電介質(zhì)因自發(fā)極化產(chǎn)生表面束縛電荷，這種電荷被來(lái)自空氣極化產(chǎn)生表面束縛電荷，這種電荷被來(lái)自空氣中富集于電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，其中富集于電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，其電不能顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)溫度發(fā)生變化，由溫度變電不能顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)溫度發(fā)生變化，由溫度變化引起電介質(zhì)的極化狀態(tài)的改變不能及時(shí)被來(lái)化引起電介質(zhì)的極化狀態(tài)的改變不能及時(shí)被來(lái)自電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，使電介質(zhì)自電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，使電介質(zhì)對(duì)外顯電性。對(duì)外顯電性。Ps=p T（具有自發(fā)極化的晶（具有自發(fā)極化的晶體

3、）體） 鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。 （具有自發(fā)極化的晶體）（具有自發(fā)極化的晶體）鐵電體鐵電體熱釋電體熱釋電體壓電體壓電體介電體介電體介電材料介電材料6.5.2 自發(fā)極化自發(fā)極化+-+-+ -未加應(yīng)力未加應(yīng)力加應(yīng)力不產(chǎn)加應(yīng)力不產(chǎn)生極化生極化加應(yīng)力產(chǎn)生極化，加應(yīng)力產(chǎn)生極化，正負(fù)電荷中心分開正負(fù)電荷中心分開(1) 不具有自發(fā)極化特性，不具有自發(fā)極化特性，但為不對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，在外但為不對(duì)稱中心結(jié)

4、構(gòu)，在外力的作用下，產(chǎn)生極化力的作用下，產(chǎn)生極化。+-+未加應(yīng)力未加應(yīng)力加應(yīng)力正負(fù)電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化加應(yīng)力正負(fù)電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化結(jié)構(gòu)含有正負(fù)離子結(jié)構(gòu)含有正負(fù)離子(2) 含有對(duì)稱中心的結(jié)構(gòu)含有對(duì)稱中心的結(jié)構(gòu)-(3) 無(wú)對(duì)稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)無(wú)對(duì)稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)-+-+-+-+極極化化軸軸C-+-+纖鋅礦纖鋅礦(ZnS)結(jié)構(gòu)在（結(jié)構(gòu)在（010）上投影）上投影表示晶體極性鏈表示晶體極性鏈的兩種方法的兩種方法例例1：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)-+-+固固有有偶偶極極子子正正電電荷荷層層與與負(fù)負(fù)電電荷

5、荷層層交交替替排排列列-+-+-+-+ 例例2：由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化：由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化鐵電體的位移性理論：鐵電體的位移性理論：自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) 等軸晶系（大于等軸晶系（大于120oC） ： 晶胞常數(shù)：晶胞常數(shù)：a=4.01A 氧離子的半徑：

6、氧離子的半徑：1.32A 鈦離子的半徑：鈦離子的半徑： 0.64鈦離子處于氧八面體中，鈦離子處于氧八面體中，兩個(gè)氧離子間的空隙為：兩個(gè)氧離子間的空隙為：4.012 1.32= 1.37鈦離子的直徑：鈦離子的直徑：2 0.64= 1.28結(jié)果：結(jié)果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。余地。較高溫度時(shí)，熱振動(dòng)能比較大，鈦離子難于在偏離中較高溫度時(shí)，熱振動(dòng)能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高的對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。相等，晶體保持高的對(duì)稱性

7、，自發(fā)極化為零。溫度降低，鈦離子平均熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱溫度降低，鈦離子平均熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱振動(dòng)能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服振動(dòng)能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場(chǎng)作用，有可能向某一個(gè)氧離子靠近，在新氧離子電場(chǎng)作用，有可能向某一個(gè)氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，平衡位置上固定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個(gè)方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個(gè)方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。 鈦、氧離子的位移鈦、氧離子的位移固固有有偶偶極極子子自發(fā)極

8、化：這種極化狀態(tài)并非由外電場(chǎng)引起，而是由自發(fā)極化：這種極化狀態(tài)并非由外電場(chǎng)引起，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個(gè)晶胞內(nèi)晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個(gè)晶胞內(nèi)存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。一般介電極化，是介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下引起，沒有外一般介電極化，是介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下引起，沒有外電場(chǎng)，這些介質(zhì)的極化強(qiáng)度為電場(chǎng)，這些介質(zhì)的極化強(qiáng)度為0。電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列形成一個(gè)疇。形成一個(gè)疇。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂無(wú)章，使整無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，電疇在晶體中分布

9、雜亂無(wú)章，使整個(gè)晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。個(gè)晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。外電場(chǎng)作用時(shí)，沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方外電場(chǎng)作用時(shí)，沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向，向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加，一直到整個(gè)結(jié)極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加，一直到整個(gè)結(jié)晶體成為一個(gè)單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電晶體成為一個(gè)單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。具有壓電性的材料不一定是鐵電體具有壓電性的材料不一定是鐵電體例如：例如：具

10、有壓電性材料又有鐵電性的材料具有壓電性材料又有鐵電性的材料BaTiO3 、Pb(Zr、Ti)O3、 Pb(Co 1/3 Nb 2/3 )O3 、Pb(Mn Sb )O3 、Pb(Sb Nb )O3。 -石英、纖維鋅礦（石英、纖維鋅礦（ZnS)僅有僅有鐵電性。鐵電性。電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施加電場(chǎng)呈正比：電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施加電場(chǎng)呈正比： P= o eE鐵電材料的極化強(qiáng)度不與施加的電場(chǎng)成線性關(guān)系，鐵電材料的極化強(qiáng)度不與施加的電場(chǎng)成線性關(guān)系，并具有明顯的滯后。二者典型的關(guān)系如下圖：并具有明顯的滯后。二者典型的關(guān)系如下圖：1. 鐵電體鐵電體6.5.3 鐵電性鐵電性鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在

11、外電鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。Ps：無(wú)電場(chǎng)時(shí)單疇：無(wú)電場(chǎng)時(shí)單疇的自發(fā)極化強(qiáng)度；的自發(fā)極化強(qiáng)度；Pr：剩余極化強(qiáng)度；：剩余極化強(qiáng)度；EC ：矯頑場(chǎng)強(qiáng)。：矯頑場(chǎng)強(qiáng)。P鐵電陶瓷的電滯回線鐵電陶瓷的電滯回線EOABECPrCPs自發(fā)極化：在某一低溫時(shí)由于熱能所造成的偶極子混亂自發(fā)極化：在某一低溫時(shí)由于熱能所造成的偶極子混亂排列被局部電場(chǎng)所克服，從而產(chǎn)生自發(fā)極化，晶體中每排列被局部電場(chǎng)所克服，從而產(chǎn)生自發(fā)極化，晶體中每一個(gè)晶胞里存在固有的電

12、偶極矩，形成永久偶極矩。這一個(gè)晶胞里存在固有的電偶極矩，形成永久偶極矩。這種電偶極子在無(wú)任何外場(chǎng)作用時(shí)自發(fā)排列。種電偶極子在無(wú)任何外場(chǎng)作用時(shí)自發(fā)排列。極性晶體：具有自發(fā)極化特性的晶體極性晶體：具有自發(fā)極化特性的晶體。鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)晶體。即具有鐵電性晶體。方向可隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)晶體。即具有鐵電性晶體。鐵電晶體的特點(diǎn)：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化鐵電晶體的特點(diǎn)：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化改變方向時(shí)，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。改變方向時(shí)，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。鐵電晶體的兩大類

13、：有序鐵電晶體的兩大類：有序無(wú)序型鐵電體（自發(fā)極化同個(gè)無(wú)序型鐵電體（自發(fā)極化同個(gè)別離子的有序化相聯(lián)系）；位移型鐵電體（自發(fā)極化同一別離子的有序化相聯(lián)系）；位移型鐵電體（自發(fā)極化同一類離子的亞點(diǎn)陣相對(duì)于另一類亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系）。類離子的亞點(diǎn)陣相對(duì)于另一類亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系）。3 . 鐵電體的性能及應(yīng)用鐵電體的性能及應(yīng)用電滯回線電滯回線介電特性介電特性非線性非線性晶界效應(yīng)晶界效應(yīng)（1）性能）性能（2）應(yīng)用）應(yīng)用 熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用透明鐵電材料的應(yīng)用透明鐵電材料的應(yīng)用鐵電電容器的應(yīng)用鐵電電容器的應(yīng)用 獨(dú)石電容器結(jié)構(gòu)圖獨(dú)石電容器結(jié)構(gòu)圖陶瓷介質(zhì)陶瓷介質(zhì)中間中間Ni電極電極底層底層

14、Ag電極電極 PbAg內(nèi)內(nèi)電極電極片式結(jié)構(gòu)片式結(jié)構(gòu)外層純外層純Sn電極電極帶引線結(jié)構(gòu)帶引線結(jié)構(gòu)環(huán)氧包封環(huán)氧包封鍍錫銅線鍍錫銅線印刷電極印刷電極壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、張力、切正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷。在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷。逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場(chǎng)引起極化，逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場(chǎng)引起極化，則將產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。則將產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。1. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)6.5.4 壓電性壓電性極化

15、方向極化方向+ + + + + + + + + + + + 極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + 自由電荷自由電荷釋放電荷釋放電荷極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + + + + + + 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系： D=dTd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：系： S=dEd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。2. 壓電材料的性能

16、壓電材料的性能（1）機(jī)電偶合系數(shù)）機(jī)電偶合系數(shù)（2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（3）頻率常數(shù)）頻率常數(shù)（4）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)（5）彈性模量、相對(duì)介電常數(shù)、居里溫度等。）彈性模量、相對(duì)介電常數(shù)、居里溫度等。介電質(zhì)的基本性能：介電質(zhì)的基本性能：介電常數(shù)、介電損耗等特殊應(yīng)用要求的性能：特殊應(yīng)用要求的性能：如：濾波器要求諧振頻率穩(wěn)定性高3. 壓電振子諧振特性及振動(dòng)模式壓電振子諧振特性及振動(dòng)模式阻抗阻抗頻率頻率反諧振反諧振諧振諧振壓電振子：極化后的壓電體。壓電振子：極化后的壓電體。諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻率與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧

17、振。率與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振。(1) 諧振特性諧振特性諧振頻率：形成駐波的頻率。諧振頻率：形成駐波的頻率。形成駐波的條件：形成駐波的條件：L= n / 2 振動(dòng)頻率：振動(dòng)頻率：f r=u/ （ u-聲波的傳播速度與物體的密度聲波的傳播速度與物體的密度和彈性模量有關(guān)）和彈性模量有關(guān)）諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 頻率為基頻，其它為二、三次等諧振頻率為基頻，其它為二、三次等諧振當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小(電流最大電流最大)的頻率的頻率f m附近附近

18、.在兩個(gè)諧振之間有一反諧振在兩個(gè)諧振之間有一反諧振f a ，電流與電壓同相，發(fā)生，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最大在振子阻抗最大(輸出電壓最大輸出電壓最大)的頻率的頻率f n附近。附近。C1C0L1R通過(guò)該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對(duì)值，對(duì)其求通過(guò)該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對(duì)值，對(duì)其求導(dǎo)，在導(dǎo)，在R=0時(shí)，求出時(shí)，求出fm,fn fm=1/2 (L1C1)1/2 (串聯(lián)諧振）串聯(lián)諧振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C1) (并聯(lián)諧振）并聯(lián)諧振）此時(shí)有：此時(shí)有：fm=fr,fn=fa壓電振子的等效電路壓電振子的等效電路電感的意義：當(dāng)某一振子在交電感的意義：當(dāng)某一振子在交變電場(chǎng)的作用下，發(fā)生形變，變電場(chǎng)的作用下，發(fā)生形變，引起另一壓電振子形變，從而引起另一壓電振子形變，從而感應(yīng)出電荷。其原因是由于振感應(yīng)出電荷。其原因是由于振子的慣性引起，可等效為振子子的慣性引起，可等效為振子的質(zhì)量，而電容可等效為彈性的質(zhì)量，而電容可等效為彈性常數(shù)，電阻由內(nèi)摩擦引起。常數(shù)，電阻由內(nèi)摩擦引起。（2）壓電振子的振動(dòng)模式）壓電振子的振動(dòng)模式 伸縮振動(dòng)、切變振動(dòng)、彎曲振動(dòng)伸縮振動(dòng)、切變振動(dòng)、彎曲振動(dòng)薄片型薄片型極極化化方方向向薄長(zhǎng)片薄長(zhǎng)片極化方向極化方向厚度振動(dòng)厚度振動(dòng)徑向振動(dòng)徑向振動(dòng)輪廓振動(dòng)或輪廓振動(dòng)或長(zhǎng)度振動(dòng)長(zhǎng)度振動(dòng)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)