b3压电热释电铁电材料

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1、§9.压电、热释电和铁电器件极性电介质：若电介质材料在没有外电场时，仍然能在其内部建立极化(自发极化)，则称此类电介质为极性电介质。此类材料具有介电、压电、热释电等性质，还有：电致伸缩、非线性光学、电光、声光(弹)、光折变等性质现实生活中的压电器件：水下通讯设备,超声波清洗设备,传感器,滤波器,谐振器,延迟线,电声器件现实生活中的热释电器件:红外探测器,各种辐射计现实生活中的铁电器件:电容器,存贮器§9.1压电材料一.(正)压电效应与逆压电效应正压电效应：对某些电介质晶体施加机械应力，晶体两端面表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比，这种由机械应力的作用而

2、使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象，称为(正)压电效应．晶体电极化矢量(P,C/m2)与应力(N/m2)之间的关系：逆压电效应：若将具有正压电效应的电介质晶体置于电场中，电介质晶体将发生形变，晶体的这种因外电场作用而产生形变的现象称为逆压电效应．晶体弹性应变矢量(S)与电场强度矢量(E)之间的关系：电致伸缩：S=EE=E2(--电致伸缩系数，m4/C2)二．压电材料性能参数１．机电耦合系数正压电效应时：机械功=弹性贮存能＋电能逆压电效应时：电功=极化电能＋机械能并不能实现100%的能量转换机电耦合系数－－用于描述压电体中机电耦合有效程度的参数k２=转换

3、获得的能量／输入的总能量与压电振子的振动模式有关２．机械品质因素－－衡量压电体(压电振子)在谐振时机械内耗大小的参数Ｑm=2πWm/WkWm—谐振时振子内贮存的最大机械能量Wk---谐振时振子每周期内机械损耗的能量Ｑm也是与压电振子的振动模式有关三.压电材料按材料种类：压电单晶体：仅具压电效应的单晶体热释电单晶体：铁电性热释电单晶体非铁电性热释电单晶体压电半导体单晶体压电薄膜压电多晶体(陶瓷)：铁电陶瓷(同时也是压电、热释电陶瓷)压电陶瓷薄膜压电聚合物压电复合材料按材料形态：压电块体材料(含厚膜)压电薄膜压电单晶体：压电单晶体:石英,CdS,ZnO,AlN等铁电单晶体

4、:含氧八面体的铁电晶体:BaTiO3,LiNbO3,LiTaO3,BaxSr1-xNb2O6(SBN)含氢键的铁电晶体:KH2PO4(KDP),NH4H2PO4(ADP),PbHPO4(LHP),PbDPO4(LDP)含层状结构的Bi4Ti3O12压电石英多种同素异构体,石英的性能最好:机械品质因数高,频率温度系数小.应用于选频,控频和频标等LiNbO3晶体晶体结构:六方或菱方,由NbO6八面体组成框架性能特点:铁电性,居里点最高(1210C),自发极化最大(室温下约为0.70C/m2)自发极化来源:Nb离子沿八面体三重(次)轴偏离中心机械耦合系数大,机械品质因数

5、高声传播速度高,超声吸收系数和声衰减小化学稳定性好,机加工性能好,可精密加工器件热稳定性好(1050C下压电换能器仍无明显退化)工艺特点:熔点为1253C,可用提拉法在大气气氛中从熔体中生长单晶在Li2O—Nb2O3体系中,固液同成分点是:48.6%molLi2O,51.4%molNb2O5----制备高质量单晶的最佳配比,但含Nb稍高,由于Nb在固相中的溶解度小于液相的,故凝固后可得到符合化学计量比的LiNbO3单晶压电陶瓷：具有压电性的两个条件:晶粒具有铁电性需经强直流电场处理(人工极化)典型材料:BaTiO3PbTiO3PZT压电陶瓷(A1,A2,,Ak)

6、(B1,B2,,Bl)O3无铅压电陶瓷PZT压电陶瓷A.结构:钙钛矿型结构化学式:Pb(ZrxTi1-x)O3Pb2+:位于立方体的顶角位置Zr4+或Ti4+:体心O-2:面心B.PbZrO3—PbTiO3二元相图反铁电效应C.成份对性能的影响①相变点附近:高的机电耦合系数k2,高的②偏离相变点:高的机械品质因素Qw③掺杂改性:(i)等价离子转换:Pb2+:Ba2+,Sr2+,Ca2+,Mg2+,≤20x%结构不变，Tc下降，k2和升高，压电常数升高相变点移，抑制Pb挥发应用:超声和水声的发射换能器高压电发生元件Zr4+,Ti4+:Sn4+,Hf4+,≤10x%

7、c/a下降，Tc下降，上升，k2稳定性有所改善(ii)不等价离子转换:施主掺杂：含Bi3+，La3+,Nb5+,W6+等离子的化合物正离子缺位(空位),tan,弹性柔顺系数：升高Ec降低(软性材料)，回线矩形化，Qw,下降老化减弱，k2提高，温度稳定性变好应用:超声和水声换能器的接收元件电声器件受主掺杂：含K1+,Sc3+,Fe3+等离子的氧化物负离子缺位,tan：降低Ec增大(硬性材料)，Qw增大应用:超声和水声换能器的发射元件高压发生装置等器件变价元素掺杂：含Cr,U等元素的离子部分起施主，部分起受主杂质的作用，本身能在两者之间自动补