第十二章 材料的壓電性能與鐵電性能-材料性能學

第十二章材料的壓電性能與鐵電性能一.壓電效應的基本原理§12-1壓電性能壓電效應=正壓電效應+逆壓電效應正壓電效應：在電介質晶體上施加壓應力、拉應力、切應力時，則發(fā)生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負電荷。-+F+-+-F+--+逆壓電效應：在電介質晶體上施加電場引起極化，則將產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應力。+++---+++---+++---++--+-+-++--二.壓電振子與壓電方程1.壓電振子及其特征頻率壓電振子：被復激勵極化的壓電晶片。薄片型極化方向薄長片極化方向厚度振動徑向振動輪廓振動或長度振動橫向效應沿軸向振動厚度切變振動壓電振子是最基本的壓電元件，它本身是彈性體，具有固定振動頻率，當施加的激勵信號頻率等于固有振動頻率時，壓電振子由于逆壓電效應而產(chǎn)生機械諧振，這種機械諧振又可借助正壓電效應而輸出電信號。阻抗頻率反諧振諧振最小阻抗頻率（最大導納頻率、諧振頻率）：阻抗最小時的頻率，輸出的振幅和電流最大。最大阻抗頻率（最小導納頻率、反諧振頻率）：隨信號頻率增大，阻抗最大時的頻率，輸出的振幅和電流最小。一次泛音頻率、二次泛音頻率：頻率繼續(xù)增大，出現(xiàn)的諧振頻率和反諧振頻率。2.壓電方程壓電方程：反映壓電體力學參量應力T、應變S和電學參量電場強度E、電位移D四個參數(shù)之間關系的方程。第一類壓電方程：應力和電場強度為自變量。第二類壓電方程：應變和電場強度為自變量。第三類壓電方程：電位移和應力為自變量。第四類壓電方程：電位移和應變?yōu)樽宰兞?。?壓電性能的主要參數(shù)介電常數(shù)對于一定形狀、尺寸的壓電器件，其固有電容與介電常數(shù)有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。介質耗損壓電體表面所積累的無功電荷與有功電荷的比值。彈性常數(shù)壓電材料的彈性常數(shù)和剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。壓電常數(shù)壓電體把機械能轉換為電能或者把電能轉換為機械能的轉換系數(shù)，它是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，直接關系到壓電輸出的靈敏度。機械品質因數(shù)壓電體諧振時克服內(nèi)摩擦而消耗的能量。機械耦合系數(shù)在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量與輸入能量之比的平方根，它是衡量壓電材料機械能與電能互相轉換能力的重要參數(shù)。三.壓電材料的應用鈦酸鋇鈦酸鉛鋯酸鉛鈦鋯酸鉛焦綠石硫化鎘氧化鋅氮化鋁鈣鈦礦型非鈣鈦礦型：電聲器：揚聲器、送話筒、水下通訊和探測：水聲換能器、魚群探測器雷達中的陶瓷表面波器件通訊設備：陶瓷濾波器精密測量：壓力計紅外技術：紅外熱電探測器高壓電源：變壓器高壓引線壓電陶瓷點火器墊塊外殼沖擊塊V～V2～V2輸入輸出伸縮振動壓電陶瓷變壓器§12-2熱釋電與鐵電性能一.自發(fā)極化及其微觀機制自發(fā)極化：電介質材料在沒有外加電場的條件下產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。極性晶體：固有偶極矩晶胞的規(guī)則排列，使晶體處于高度極化狀態(tài)。非極性晶體：陰、陽離子偏離平衡位置，使晶體極化。鈦酸鋇（鈣鈦礦型結構）鈦、氧離子的位移????????°°????????°°二.晶體的熱釋電效應熱釋電效應：晶體因溫度均勻變化而發(fā)生極化強度變化的現(xiàn)象。逆熱釋電效應（電生熱效應）：對熱釋電絕熱施加電場時，溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象。熱釋電材料：鈦酸鉛、氧化鋯、硫酸三甘肽、鈦酸鋰等熱釋電器件：紅外成像傳感器、來客報知器、火災報警器等三.晶體的鐵電性電介質的極化強度與施加電場呈正比：

P=oeE

鐵電材料的極化強度不與施加的電場成線性關系，并具有明顯的滯后。二者典型的關系如下圖：鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場強度間的關系呈電滯回線特征。電滯現(xiàn)象與電滯回線（以鈦酸鋇為例）溫度較高時，電極化強度與電場強度成正比。溫度較低時，電極化強度與電場強度不成正比，而是滯后于電場強度的變化，形成電滯回線。鐵電晶體：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作可逆轉動晶體。即具有鐵電性晶體。鐵電晶體的特點：極性晶體、特殊的晶體結構（自發(fā)極化改變方向時，晶體構造不發(fā)生大的畸變。鐵電晶體的兩大類：有序—無序型鐵電體（自發(fā)極化同個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陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯(lián)系）。鐵電疇：電疇結構外電場作用下，180o疇的反轉不產(chǎn)生應變，而非180o疇的反轉則由于受到相鄰疇的約束而產(chǎn)生應變。BaTiO3中的電疇結構鐵電電容器的應用獨石電容器結構圖陶瓷介質中間Ni電極底層Ag電極

PbAg內(nèi)電極片式結