第6章压电、铁电材料
压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
简述铁电,压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电,压电和热电纳米材料的催化研究
铁电催化研究主要关注铁电材料在催化反应中的应用。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，可以通过外加电场来改变其结构和性质。
铁电材料具有许多特殊的性质，如高电极化强度、快速反应速度等，使其在催化领域具有很大的潜力。
压电催化研究关注压电材料在催化反应中的应用。
压电材料是一类具有压电效应的材料，可以通过外加压力来改变其形状和性质。
压电材料具有良好的机械性能和灵活性，可以用于设计和调控催化反应中的活性位点和反应途径，提高催化效率和选择性。
热电催化研究关注热电材料在催化反应中的应用。
热电材料是一类具有热电效应的材料，可以将热能转化为电能或反之。
热电材料具有优异的热电性能，可以用于催化反应中的能量转换和催化剂的自供能。
热电催化研究旨在利用热电材料的热电效应，提高催化反应的能量利用率和催化效率。
以上三种纳米材料的催化研究，主要关注如何利用纳米尺寸效应和特殊性质改变催化反应的动力学和热力学过程，以实现更高效、更可控和更环保的催化反应。
这些研究在能源转化、环境保护、化学合成等领域具有重要的应用前景。
第6章压电铁电材料
1 1 1 e max [ ( ES 2 max )] 4 2
(6-1)
式中：emax为能量密度；E为驱动器材料的弹性模量；Smax电场诱 发的最大应变；ρ为驱动器材料的密度；1／4为适应系数(与相关环 境的驱动器阻抗有关)。
6.1.1.1压电效应的表征
当在某些特定方向上对α-石英晶体加力(拉或压)时，在与力方向垂直 的平面内出现正、负束缚电荷，这种现象后来被称为压电性。这种 由机械能转换成电能的过程，称之为正压电效应。这种效应常用于 测力的传感器中。
图6-7钙钛矿的结构晶胞
整个晶体可看成由氧八面体共顶点连接而成。 可把氧八面体单独表示并绘成图6-8。这种正 氧八面体有3个四重轴、4个三重轴和6个二重 轴。当B离子偏离氧八面体中心时，则正、负 电荷中心不重心，而产生自发极化。B离子的 运动经常沿这3个轴的方向进行，故自发极化 也是沿这三个方向之一进行。如果铁电体处于 简单立方结构是不具自发极化能力的。只有当 B离子偏离中心，晶体结构从立方晶体转变为 低对称相(如四方相)时，才产生自发极化。这 类铁电体的二个代表-BaTiO3、PbTiO3的四方 晶胞在a面上的投影示意在图6-9上。图中箭头 方向表示Ti原子沿晶体c轴方向的位移。
图6-6石英晶体正压电效应 (a)石英晶体 (b)沿X轴施加压力 (c)沿X轴施加拉力
6.1.2.2具有自发极化的铁电材料
从晶体结构上分析，除满足没有中心对称外，铁电材料还具有极轴。这里对不 同铁电材料出现自发极化的具体结构，按钟维烈的分类，简单描述如下。 1)含氧八面体的铁电体 (A)钙钛矿型铁电体 钙钛矿型铁电体是铁电体中为数最多的一类，化学通式为ABO3，。晶体结构可 用图6-7所示简单立方晶格描述。 顶角为较大的A离子占据，体心为较小的B离子占据，六个面心则为氧离子占据， 并形成氧八面体，B离子处于中心。
压电、热释电与铁电材料
热释电 铁电 材料 材料
定义
• 正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用 而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对 表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复 到不带电的状态。
• 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电 介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失。
铁电材料
含有氢键的晶体
水溶性铁 电体、软 铁电体
双氧化物晶体
硬铁电体
KDP（磷酸二氢钾）、 TGS（三甘氨酸硫酸盐）、 RS（罗息盐）
BaTiO3(BaO-TiO)、 KNbO3(K2O-Nb2O5)、 LibO3(Li2O-Nb2O5)
原理
经过预处理的晶体材 料是由众多细小但具 有一定极化方向的晶 畴堆砌而成，整体具
有一定净极化。
环境温度改变
热红外信号被 热点材料捕捉晶体材料吸 收热量，源自 生体积膨胀各个方向 同时发生
热释电效应有各 向异性
只有那些有着与 其他方向不同的 唯一的极轴时， 才有热释电性
晶畴极化方向 的重新分配， 晶体总体极化
状况改变
晶体材料两端产 生互为正负电荷 的重新分配，形 成很弱的电压
热释电材料
分类
单晶材料
有机高分子及 复合材料
金属氧化物陶 瓷及薄膜材料
TGS（硫酸三甘肽）、LiTaO3、 DGTS（氘化硫酸三甘肽）、CdS、 KTN（钽尼酸钾）、 PGO（锗酸铅）、SBN（铌酸锶钡）
PVF（聚氟乙烯）、 PVDF（聚偏二氟乙烯）、 P(VDF-TrFE）（偏二氟乙 烯-三氟乙烯共聚物）、 四氟乙烯-六氟丙烯共聚物
3、其结构必须有带正负电荷的质点， 即压电体是离子晶体或由离子团 组成的分子晶体。
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究铁电、压电和热电纳米材料近年来在催化研究领域引起了广泛关注。
这些材料具有特殊的结构和性质，对催化反应具有重要作用。
本文将对铁电、压电和热电纳米材料的催化性能进行简要介绍，并分析其应用前景。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，其具有正负两个永久电偶极矩的材料。
研究表明，铁电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
铁电材料的催化性能主要归因于其特殊的电荷分布和表面性质。
例如，铁电材料可以通过调节电荷重排来改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，铁电材料还可以通过外加电场和应力来调控其催化性能。
因此，铁电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
压电材料是一类具有压电效应的材料，其具有在外力作用下产生电荷分离的特性。
研究表明，压电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
压电材料的催化性能主要归因于其特殊的结构和电荷分布。
例如，压电材料的晶格变形可以改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，压电材料还可以通过外加电压来调控其催化性能。
因此，压电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
热电材料是一类具有热电效应的材料，其具有在温度梯度下产生电荷分离的特性。
研究表明，热电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
热电材料的催化性能主要归因于其特殊的热导率和电子结构。
例如，热电材料的热导率可以影响催化反应的热量传递和分子扩散，从而调控反应速率。
此外，热电材料的电子结构可以影响催化活性位点的结合能和反应中间体的稳定性，从而影响反应选择性。
因此，热电材料已被广泛应用于热催化和光催化等领域。
目前，铁电、压电和热电纳米材料在催化研究中的应用还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，一些研究发现，通过调控铁电、压电和热电纳米材料的晶格结构和表面性质，可以实现催化活性位点的精确定位和调控。
热电、压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
压电、热释电与铁电材料
钙钛矿化合物大多数具有铁电性（如 PbTiO3、KNbO3 和KTaO3等），可能与结构 上的这些特点有关。 钙钛矿结构的铁电晶体其顺电—铁电相 变都是属于位移相变，而是BaTiO3位移型 铁电体的典型代表。
在BaTiO3晶体中，氧形成氧八面体，氧离子 半径较小，氧的离子半径RO=1.32Å。四价 金属离子Ti4+位于氧八面体中心， RTi=0.64Å。二价金属离子Ba2+位于氧八面 体之间的间隙里，离子半径较大， RBa=1.43Å。
铁电的理论解释
钛酸钡的Slater理论 KDP 的Slater理论
Slater-Devonshire theory for BaTiO3
BaTiO3的稳定态是钙钛矿结构，120C以下 显示出铁电性。钙钛矿结构的化学分子式为 ABO3，其中A代表二价或一价金属，B四价或 五价金属；其结构特点是具有氧八面体结构， 在氧八面体中央为半径较小的金属离子，而 氧又被挤在半径较大的金属离子中间。
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位 移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的 x射线衍射和中子衍射实验表明，当BaTiO3 的结构从立方相转变到四方相时，Ti、O等 离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
若取立方相的平衡位置作参考， 钡离子位置作坐标原点，用 δZTi表示Ti沿c轴位移； δZOIδZOII分别表示在（001） 面上的氧离子OI和（010）、 （100）面上的氧离子OII沿轴c 方向的位移，则在四方相原胞 中各离子的位置坐标为： Ba(0,0,0);Ti(0.5,0.5,0.5+δ ZTi), OI(0.5,0.5, δZOI); OII(0.5,0,0.5+δZOII) 和 (0,0.5,0.5+δZOII)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Q
机 ｛ 械 能 压电 效 应 及 可逆性
F
逆压电 效应 压电 介质 正压电 效应
电 ｝ 能ຫໍສະໝຸດ Company Logo极化现象：
当电介质放入电场中时，电荷质点在电场作用下发生相对
位移，正电荷沿电场作用方向移动，负电荷向反方向移动，形 成许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。 压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料.
普通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无 规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般无压电效应。 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须将压电陶瓷置于 强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化 矢量沿电场方向择优取向.在电场取消之后，经过极化处理后的 压电陶瓷具有压电效应。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡具有较好的压电性，是在锆钛酸铅(PZT)陶瓷出现之前
，广泛应用的压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高(120度) ，限制了器件的工作温度范围。
为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，出现了以
BaTiO3为基的BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。BaTiO3中加入 PbTiO3，可以使陶瓷的居里温度移向高温，扩大了器件 的工作温度范围。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
在1460~120℃之间钛酸钡转变为
立方钙钛矿型结构。
在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-( 氧离子)构成的氧八面体中央， Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体 围成的空隙中。此时的钛酸钡晶 体结构对称性极高，因此不具自 发极化能力。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷
压电陶瓷经极化处理后，与极化方向垂直的两端出现束缚电荷 ，由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外
界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片 将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，而使表面的自由
电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现
锆钛酸铅系(PZT)
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙钛矿结
构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以是Ti4+。 居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择不同的锆钛
比Zr／Ti，从而获得不同性能要求的压电陶瓷。
与钛酸钡相比，锆钛酸铅压电系数更大，居里温度在300 ℃以 上，各项机电参数受温度影响小，电性能优异，易批量生产且
随着温度下降，Ti4+偏离氧八面体的中心，则晶体的正、负 电荷中心不重合，晶体的对称性下降。当温度下降到120℃
时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。
在室温下，BaTiO3是属四方晶系的铁电体。 综上所述，在整个温区(<1618℃)，钛酸钡共有五种晶体结 构，即六方、立方、四方、正交、三方，随着温度的降低， 晶体的对称性越来越低。在120℃（即居里点）以上，钛酸 钡晶体呈现顺电性，在120℃以下呈现铁电性。
锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元
系压电陶瓷也都应运而生。 这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷多是ABO3型化合物或几种ABO3型化合物的固溶
体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系
(PZT)陶瓷。 钛酸钡(BaTiO3是一致性熔融化合物，其熔点为1618℃。 1460~1618℃温度下BaTiO3属于非铁电的六方晶系点群 。此时，六方晶系是稳定的。此时，钛酸钡晶体正负电荷 中心重合，所以不具备自发极化能力。
于超声换能器、扬声器、声纳等。
视频：压电陶瓷
压电材料的应用
压电陶瓷扬声器
利用压电陶瓷做出的扬声器，尺寸更小，厚度能够达 到1mm以下，且对音腔体积的依赖性小。 传统手机的 扬声器厚度 至少在3mm 以上，且对 后音腔体积 有要求。
压电材料的应用
压电材料，应用在智能材料与结构中可以解决传统技术中难于
解决的一些关键问题，而且其作用也是其它材料难以取代的。
对压电陶瓷施加应力时，在陶瓷样品的两端就出现一定的电压 。利用正压电效应用于引燃引爆、气体点火等高压发生器；相
反，利用逆压电效应对压电陶瓷施加一个外加电场时，当外电
场频率与压电陶瓷固有谐振频率一致时，形变较大，而且随外 电场的频率作机械振动，向周围媒介发射功率。这种效应可用
充电现象。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡压电陶瓷极化示意图
压电陶瓷材料
1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年，第一 个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。
50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料——锆
钛酸铅研制成功。 从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。如用多种元素改进的
第六章 压电、铁电材料
压电材料
压电效应：
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的 产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷，当外力 去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为 “正压电效应”： 机械能转变为电能。 反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场， 它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”：电能转 变为机械能。 具有压电效应的物质称为压电材料。
价格低廉等优点而被广泛应用于电子元器件中。
锆钛酸铅系(PZT)
在锆钛酸铅中添加一种或两种其他微量元素（铌、锡、锰、钨
等）还可以获得不同性能的PZT材料，因此锆钛酸铅系压电陶 瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环境和人 类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人类社会可 持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已成为世界各 国致力研发的热点材料之一。
根据几何结晶学，在32种点群中，只有20种无对称中心的晶体
，这20个点群都有可能产生压电效应。如石英就是一种压电材 料。
压电材料
石英压电效应机理
(a)表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外力 作用，正负电荷的重心重合，晶体表面的电荷亦为零。
(b)、 (c) 分别为受压缩力与拉伸力的情况，这两种受力情况 所引起晶体表面带电的符号正好相反。