第八章-材料的压电性能和铁电性能.
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。
五、材料的压电性能
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(2) 压电陶瓷
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(2) 压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化处理的 压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为 正，另一端为负），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，一端的束缚电荷对另 一端异号的束缚电荷影向增强，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，将会出现充电现象。
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第五部分、材料的压电性能
授课：付鹏 QQ:54085222 E-mail: fupeng@
第五部分 压电与铁电性能
压电性能；热释电性；铁电性能。
1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先发现压电效应； 1920年，Valasek发现铁电体； 40年代中期，压电材料开始广泛应用。 60-70年代达成熟阶段。
谐振线度尺寸与频率的关系：L= n（ u/ f r ） / 2
n=1, 频率为基频，其它为二、三次等泛频，当发生谐振
时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大)的
频率f m附近，此频率为最小阻抗频率。频率继续增大， 阻抗达到一个极大值，相应的频率f n叫做反谐振频率。
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压电振子的阻抗频率变化
13 E1 23 E2 33 E3
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z
(D 3 ) T3
T6
T5 (D2)
y
T4 T2
铁电材料的应用及其性质
铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料，可以在外加电场的作用下产生极化效应，其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能：铁电材料表现出极化现象，它们能够在电场的作用下，在晶体中产生电偶极矩，同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的，离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后，可以得到电信号的输出。
2.压电性能：铁电材料具有压电性能，亦即当外力作用于铁电材料时，晶体结构会产生变化，而反过来当外加电场作用于铁电晶体时，也能感受到压力的变化。
其作用的原理是，当材料受到外力的作用时，内部离子的晶格结构也会产生变形，从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能：一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时，就会产生电荷，从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器，甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能：铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现，可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器：由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快，它们可用于电容器中，主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器：由于铁电材料的压电特性，它们可以被用于制作各种类型的传感器，如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器：由于铁电材料的压电特性和极化性能，它们可用于制造各种类型的振动器，如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件：铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率，而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器：铁电材料的极化状态可以长时间维持，因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码，从而实现信息存储和检索。
8.2 介电-压电-铁电 2014.12.5
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医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头 的医用超声仪； 煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器，吸 烟-打火机； 电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话 等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；
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朗之万发明军用声纳
世界上第一部军用声纳-主动式声呐是法国著名 理学家保罗·朗之万发明的。运用于“二战”对德军 潜艇的探测。 这种声纳当时也叫“回声定位仪”和“水声换能 器”，一般都可以收发两用。
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问题
海洋中，使用水声声呐 为什么不使用光探测器
• 晶体在受到外电场激励下产生材料内部的应力 改变-甚至发生形变，这种由电效应转换成机械 效应的过程称为逆压电效应。
力→形变→电压 电压→形变（应力改变）
正压电效应 逆压电效应
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¾ 8. 压电常数d
压电常数是反映力学量（应力或应变） 与电学量（电位移或电场）间相互耦 合的线性响应系数。
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6. 正压电效应
机--电转换
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正压电效应 机--电转换
晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电 荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性 系， 这种由机械效应转换成电效应的过程称为正 电效应。
铁电性与压电性PPT课件
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等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1。28
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结果： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来， 接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。 温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比 例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位 置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方 向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
S=dE d:压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
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2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。 介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
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－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
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。 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。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
材料性能知识点——磁电光压电铁电部分
注：粗体为重点或要求掌握的内容，斜体为拓展延伸内容，其余为基本内容。
一、磁学性能1、材料磁性的本源是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的。
任一封闭电流都具有磁矩。
2、材料磁性分类——抗磁性物质：使磁场减弱的物质；顺磁性物质：使磁场略有增强的物质；铁磁性物质：使磁场强烈增加的物质。
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。
材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。
材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩。
铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。
3、抗磁性、顺磁性、铁磁性特点：抗磁与顺磁性材料的磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率常数很小，但磁化方向相反，而且当初去外磁场之后，仍恢复到未磁化前的状态，及存在磁化可逆性。
铁磁性不存在直线关系，也不是可逆的，去处外磁场，不恢复未磁化前的状态。
4、原子内层电子交互作用其积分常数A＞0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化；铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向；还有一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下为顺磁性。
5、磁化曲线和磁滞回线1）磁化曲线：第一部分，在微弱的磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H的增大缓慢增大。
磁化是可逆的。
第二部分：随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增高，磁导率μ增长非常快，并且出现极大值。
磁化是不可逆的。
第三部分：随外磁场强度H进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得越来越困难。
磁导率减小，并趋向稳定。
当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值，即外磁场强度再继续增大时，磁化强度不再变大。
而此时磁感应强度（B=M+H）仍随外磁场强度而增大。
磁化强度的饱和值称为饱和磁化强度，M S；与其对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，B S。
8.5-压电性能及其应用PPT课件
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2.2 其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软 性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后：
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基本介电关系
电位移矢量与电场强度和电极化强度之间的关系为:
D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
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d33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。
逆压电效应d33的简化矩阵表示为
（二阶张量）
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压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加
压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有
以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指
电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。
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Kt Kp
K33
K15
K31
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8.5.3 机械品质因数Qm
：压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需 要消耗能量。
：机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的 一个参数。
：Qm越大，能量消耗越小。
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1、压电常数d33 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量 （电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。 当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加压应力T3时， 在电极面上产生电荷，则有以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，下标中第一个数字指电场方 向或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方 向；T3为应力；D3为电位移。
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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。
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间 耦合关系的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。 机电耦合系数的定义是：
4、频率常数N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度 的乘积为一个常数，即频率常数。
N=fr×l
其中：
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D Nt=fr×t
D为圆片的直径
薄板厚度伸缩振动
细长棒K33振动 薄板切变K15振动
t为薄板的厚度
l为棒的长度 lt为薄板的厚度
Hale Waihona Puke N33=fr×lN15=fr×lt
第一节
四 压电材料的应用
压电性能
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
Qm 2 谐振时振子储存的机械 能 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
f a2 Qm 2f r R(C0 C1 )( f a2 f r2 )
其中： fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
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
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 第二节 第三节 第四节 压电性能 热释电与铁电性能 铁电材料的电光效应及其应用 影响材料压电性与铁电性的因素
第一节
一 压电效应的基本原理
压电性能
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
或
通过逆压电效应转换所 得的机械能 K 转换时输入的总电能
2
通过正压电效应转换所 得的电能 K 转换时输入的总机械能
2
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶 瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有 相应的机电耦合系数。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
• 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。
3、机械品质因数Qm
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质 因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机 械品质因数Qm的定义式是：
第一节
5 压电材料 机电耦合效应
压电性能
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
(5) 特征频率的含义
压电性能
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
三 压电性能的主要参数
压电性能
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