功能转换材料课件.pptx

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1、第五章　功能转换材料Chapter5Functionalconversionmaterials主要内容：压电材料热释电材料光电材料电光材料磁光材料热电材料声光材料第一节　压电材料1880年，P.居里和J.居里兄弟发现：当对石英晶体在某些特定方向上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。一、压电效应1、正压电效应当外加应力T作用于某些单晶或多晶介电体并使它们发生应变S时，介电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化(即带电)或电极化的变化的现象称为正压电效应。2、逆压电效

2、应与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。第五章　功能转换材料－§5.1压电材料XY＋＋＋＋＋－－－－－T1T1＋＋＋＋＋－－－－－T2T2石英晶体切片的正压电效应第五章　功能转换材料－§5.1压电材料压电效应的机理：－－－+++(a)晶体不受外力作用：①正负电荷的重心重合②晶体的总电矩为零③晶体表面的电荷为零晶体受压缩力或拉伸力作用：①正负电荷的重心不重合②晶体表面产生异号束缚电荷③出现压电效应－－－+++－+－－++(c)+－+－+－－+++－－(b)第五

3、章　功能转换材料－§5.1压电材料二、压电材料的主要特性1.弹性模量压电体是弹性体，服从虎克定律。电学条件不同，弹性模量不同。（1）短路弹性模量在外电路的电阻很小，即相当于短路条件下，测得的弹性模量。（2）开路弹性模量在外电路的电阻很大，即相当于开路条件下，测得的弹性模量。2.压电常数反映压电材料中的力学量和电学量之间的耦合关系，表示产生压电效应的大小。pi＝dijkjk(i,j,k=1,2,3)式中，pi为压电材料单位面积上的极化电荷；jk为应力；dijk即压电常数。第五章　功能转换材料－§5.1压电材料3.介电常数介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。当压电材料的

4、电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：例如：对于压电陶瓷片，其介电常数为：＝Cd/A式中，C—电容(F)；d—电极距离(m)；A—电极面积(m2)。4.机电耦合系数综合反映压电体的机械能与电能之间的耦合关系。K无量纲，数值越大，压电耦合效应越强。＝（逆压电效应）（正压电效应）第五章　功能转换材料－§5.1压电材料三、压电材料1.压电晶体（1）石英(SiO2)晶体结构：三方晶系。特点：①压电效应出现在X、Y轴上，在Z轴上无压电效应。②压电性能稳定，内耗小，但K值不是很大。应用：频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。（2）含氢铁电晶体晶体结构：三方晶系。特点：应变Sx与极化

5、强度Px2呈直线关系。典型材料：磷酸二氢铵(NH4H2PO4，ADP)、磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)、磷酸氢铅(PbHPO4，LHP)、磷酸氘铅(PbDPO4，LDP)。（3）含氧金属酸化物典型材料：钛酸钡(BaTiO3，钙钛矿型结构)、钽酸锂(LiTaO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锂(LiNbO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锶钡(BaxSr1-xNbO6，SBN，钨青铜型结构)。第五章　功能转换材料－§5.1压电材料钙钛矿（CaTiO3）晶体结构模型第五章　功能转换材料－§5.1压电材料2.压电半导体晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。特点：K值大，并兼有光电导性。应用：换

6、能器。水声换能器：通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应)来完成水下观察、通讯和探测工作。典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。3.压电陶瓷（1）钛酸钡(BaTiO3)陶瓷第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，120C时转变为立方晶相，铁电性消失。（2）锆钛酸铅（Pb(Zr、Ti)O3，PZT）PbTiO3与PbZrO3形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。组成锆钛酸铅的PbTiO3、PbZrO3也是常用的陶瓷压电材料。第五章　功能转换材料－§5

7、.1压电材料闪锌矿晶体结构模型纤锌矿晶体结构模型第五章　功能转换材料－§5.1压电材料四、压电材料的应用1、微声技术应用水声发射和接受装置——“声纳”。1916年朗之万利用石英晶体制造出“声纳”，用于探测水中物体，至今仍在海军中有重要应用。2、超声技术应用超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器。利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力的应用。3、机械能－电能转换技术应用压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等。利用压电材料的正压电效应，将机械能