1、第十二章第十二章 材料的压电性能与铁电性能材料的压电性能与铁电性能 压电效应压电效应18801880年发现铁电年发现铁电体体19201920年发现，铁电体是重要的年发现，铁电体是重要的功能材料功能材料 第一节第一节 压电性能压电性能第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用第四节第四节 影响材料压电性与铁电性的因素影响材料压电性与铁电性的因素 第一节第一节 压电性能压电性能一一 压电效应的基本原理压电效应的基本原理 1 压电效应基本概念压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表由机械应力作用使电介质晶体
2、产生极化并形成晶体表面电荷的现象面电荷的现象 2 压电效应基本原理压电效应基本原理 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、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负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电 3 正压电效应正压电效应 4 逆压电效应逆压电效应 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，导致晶体发生形变电荷中心的位移，导致晶体发生形变第一节第一节 压电性
3、能压电性能 5 压电材料压电材料 机电耦合效应机电耦合效应二二 压电振子与压电方程压电振子与压电方程1 压电振子及其特征频率压电振子及其特征频率（1）压电振子的基本概念）压电振子的基本概念 压电振子固有振动频率压电振子固有振动频率fr(2)最小阻抗频率最小阻抗频率fm 振子阻抗为最小的频率振子阻抗为最小的频率(3)最大阻抗频率最大阻抗频率fn 振子阻抗为最大的频率振子阻抗为最大的频率(4)有损耗的压电振子等效有损耗的压电振子等效电路图电路图 第一节第一节 压电性能压电性能(5)特征频率的含义特征频率的含义第一节第一节 压电性能压电性能2 边界条件边界条件机械边界条件：机械自由，机械夹持机械边界
4、条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路电学边界条件：电学短路，电学开路压电振子共有四类边界条件压电振子共有四类边界条件第一节第一节 压电性能压电性能三三 压电性能的主要参数压电性能的主要参数1 介电常数介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）反映材料的介电性质（或极化性能）2 介质损耗介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗表征介电发热导致的能量损耗 3 弹性系数弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律压电体是一个弹性体，服从虎克定律 4 压电常数压电常数 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 机械品质因数机械品质因数
5、 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量 6 机电耦合系数机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力表征机械能与电能相互转换能力1 1、压电常数、压电常数d d3333 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量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。（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（当沿压电陶瓷的极化方向（z z轴）施加压应力轴）施加压应力T T3 3时，时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式：在电极面上产生电荷，则有以下关系式：3333TdD 式中式中d d3333为压电常数，下标中第
6、一个数字指电场方为压电常数，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或电极面的垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；向；T T3 3为应力；为应力；D D3 3为电位移。为电位移。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 2、机电耦合系数、机电耦合系数K Kp p 机电耦合系数机电耦合系数K K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦是一个综合反映
7、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。电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是：机电耦合系数的定义是：转换时输入的总电能得的机械能通过逆压电效应转换所2K转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K或或 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。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如对薄圆片径向伸
8、缩模式的耦合系数为K Kp p（平面耦合系数）；（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K K3131（横向耦合系数）；（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K K3333（纵向耦合系数）等。（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 3、机械品质因数、机械品质因数Q Qm m 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。机械品质因数因数Q Qm
9、m是反映能量消耗大小的一个参数。是反映能量消耗大小的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。机越大，能量消耗越小。机械品质因数械品质因数Q Qm m的定义式是：的定义式是：耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ)(222102raramffCCRffQ其中：其中：fr为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fa为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率R为谐振频率时的最小阻抗为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）（谐振电阻）C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容4 4、频率常数、频率常数N N 对某一压电振子，其对某一压
10、电振子，其谐振频率谐振频率和振子振动方向和振子振动方向长度长度的乘积为一个常数，即的乘积为一个常数，即频率常数频率常数。N=frl其中：其中：f fr r为压电振子的谐振频率；为压电振子的谐振频率；l l为压电振子振动方向的长度。为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒细长棒K33振动振动N33=frl薄板切变薄板切变K15振动振动N15=frltD为圆片的直径为圆片的直径t为薄板的厚度为薄板的厚度l为棒的长度为棒的长度lt为薄板的厚度为薄板的厚度第一节第一节 压电性能压电性能 四四 压电材料的应用压电材料的应用1日常
11、生活应用日常生活应用 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和声音特征的压电力敏传感器等 2电子学领域应用电子学领域应用 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试元件等3高灵敏度、高可靠性的传感器高灵敏度、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压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能一一
12、自发极化及其微观机制自发极化及其微观机制 1自发极化自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的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决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为偶极子起源于电荷为q的一种的一种A离子在晶格中的位移，离子在晶格中的位移，则极化起因于晶格中所有的则极
13、化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移，对离子作相同的位移，对于任何一个单个的于任何一个单个的A离子，即使无外场作用，也有来离子，即使无外场作用，也有来自周围极化自周围极化P所产生的局部电场所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应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第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能二晶体的热释电效应二晶体的热释电效应1 热释电效应及其产生条件热释电效应及其产生条件（1）热释电效应）热释电效应 晶体
14、因温度均匀变化而发生极化强度改变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）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化一定是具有自发极化(固有极化固有极化)的晶体的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合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有压电性的晶体不一有热释电性 2 热释电性能表征热释电性能表征（1）热释电系数）热释电系数 表示热释电效应的强弱表示热释电效应的强弱 与晶体所处状态有关与晶体所处状态有关 第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能（2）逆热释电效应或电生热效应
15、）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）热释电红外敏感元件 能充分吸收入射的红外线能充分吸收入射的红外线 热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料热释电材料 PbTi03和和PZT陶瓷、硫酸三甘肽陶瓷、硫酸三甘肽TGS和和LiTiO3单晶单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度用于非接触测量旋转体和高温体的温度 三晶体的铁电性三晶体的铁电性 1 铁电体的特性铁电体的特性（1）铁电性的基本概念）铁电性的基本概念 晶体具有自发极化，且自发
16、极化有两个或多个可能的晶体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下其取向可以随电场改变取向，在电场作用下其取向可以随电场改变 第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能（2）铁电体的共同特性）铁电体的共同特性 具有电滞回线具有电滞回线 具有结构相变温度，即居里点具有结构相变温度，即居里点 具有临界特性具有临界特性（3）电滞回线）电滞回线 铁电体的极化强度铁电体的极化强度P与外加电场与外加电场E之间呈非线性关系，且极化强之间呈非线性关系，且极化强度随外电场反向而反向极化度随外电场反向而反向极化强度的反向源于铁电体内部存强度的反向源于铁电体内部存在的电畴反转在的电畴反转 第
17、二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能 当外电场增加时，与电场同向的电畴则逐渐扩大，铁当外电场增加时，与电场同向的电畴则逐渐扩大，铁电体在外场方向的极化强度随电场增加而增加（电体在外场方向的极化强度随电场增加而增加（OA段）段）当电场增大到所有反向电畴均反转到外场方向时，晶当电场增大到所有反向电畴均反转到外场方向时，晶体变成单畴体，晶体的极化达到饱和（体变成单畴体，晶体的极化达到饱和（C附近），电附近），电场再增加，极化强度将随电场线性增加，达到最大值场再增加，极化强度将随电场线性增加，达到最大值 Pmax,将线性部分外推到电场为零时，在纵轴上的截距将线性部分外推到电场为零时，在纵轴上的
18、截距Ps称为饱和极化强度，是每个电畴原来所具有的自发称为饱和极化强度，是每个电畴原来所具有的自发极化强度当电场极化强度当电场C处开始减小时，极化强度将沿处开始减小时，极化强度将沿CB曲线逐渐下降曲线逐渐下降E=0，极化强度下降到某一数值，极化强度下降到某一数值Pr，称为铁电体的剩余极化强度称为铁电体的剩余极化强度 改变电场方向，沿负方向增加到改变电场方向，沿负方向增加到Ec时，时，P降至零，反降至零，反向电场再继续增加，极化强度反向，向电场再继续增加，极化强度反向，Ec称为铁电体的称为铁电体的矫顽场强随着反向电场的继续增加，极化强度沿负矫顽场强随着反向电场的继续增加，极化强度沿负方向继续增加，
19、并达到负方向的饱和值方向继续增加，并达到负方向的饱和值(-Ps)，整个晶，整个晶体变为负向极化的单畴晶体体变为负向极化的单畴晶体.第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能 当电场由高的负值变化到高的正值时，正向电畴又开当电场由高的负值变化到高的正值时，正向电畴又开始形成并生长，直至整个晶体再一次变成具有正向极始形成并生长，直至整个晶体再一次变成具有正向极化的单畴晶体，极化强度沿曲线化的单畴晶体，极化强度沿曲线FGH回到回到C点点 自发极化强度自发极化强度Ps 矫顽电场强度矫顽电场强度Ec（4）居里温度）居里温度Tc 温度达到某一温度以上时，热运动的结果，偶极子从温度达到某一温度以上时，热
20、运动的结果，偶极子从电场的束缚中解放出来，使自由能电场的束缚中解放出来，使自由能G下降下降 TTc 自发极化为零，非铁电相或顺电相自发极化为零，非铁电相或顺电相 T Tc 存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电相存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电相 居里点居里点 当晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电当晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电铁电相铁电相变温度变温度第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能 相变温度或过渡温度相变温度或过渡温度 晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度 上、下铁电居里温度上、下铁电居里温度Tc 有的晶体在一温度区间内为铁
21、电相，这类晶体有上下有的晶体在一温度区间内为铁电相，这类晶体有上下两个铁电居里温度两个铁电居里温度Tc 高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构对称性发生逐次递降而形成的亚群对称性发生逐次递降而形成的亚群 (5)临界特性临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化 介电性质、压电性、弹性、光学性质、热学性质介电性质、
22、压电性、弹性、光学性质、热学性质第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能 铁电晶体在发生顺电铁电晶体在发生顺电铁电相变时，铁电相变时，最重要的是材料介电性能的变化遵最重要的是材料介电性能的变化遵循循居里居里外斯定律外斯定律：2 铁电畴铁电畴（1）电畴的基本概念）电畴的基本概念 自发极化相同的小区域自发极化相同的小区域 产生电滞回线原因：铁电体是由铁电畴组成的产生电滞回线原因：铁电体是由铁电畴组成的 畴壁的厚度很薄，仅有几个晶胞的尺寸畴壁的厚度很薄，仅有几个晶胞的尺寸 铁电体通常是多电畴体铁电体通常是多电畴体（2）电畴的取向）电畴的取向 电畴只能沿几个特定的方向取向电畴只能沿几个特定的方向
23、取向 自发应变自发应变 电畴壁的取向必须保证相邻电畴在畴壁各方向上所电畴壁的取向必须保证相邻电畴在畴壁各方向上所产生的自发应变能够相容产生的自发应变能够相容第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能 3 铁电体的铁电体的电致伸缩效应电致伸缩效应 电致伸缩效应电致伸缩效应 介电体在电场作用下，由诱导极化而引起的形变介电体在电场作用下，由诱导极化而引起的形变 应变与极化强度的平方成正比，是一种平方效应应变与极化强度的平方成正比，是一种平方效应 电致伸缩效应的形变与外电场的方向无关电致伸缩效应的形变与外电场的方向无关 逆压电效应只产生于压电体，形变与外电场呈线性逆压电效应只产生于压电体，形变与外
24、电场呈线性关系，而且随外电场反向而改变符号关系，而且随外电场反向而改变符号 电致伸缩效应和逆压电效应有着明显的差异电致伸缩效应和逆压电效应有着明显的差异 第二节第二节 热释电与铁电性能热释电与铁电性能4 铁电、热释电、压电、介铁电、热释电、压电、介电晶体之间的关系电晶体之间的关系 晶体按几何结构分为晶体按几何结构分为7个个晶系：三斜、单斜、正交、晶系：三斜、单斜、正交、四方、三角、六角和立方四方、三角、六角和立方晶系晶系 具有铁电性的晶体必具具有铁电性的晶体必具有热释电性和压电性有热释电性和压电性 具有热释电性的晶体必具有热释电性的晶体必具有压电性，不一定具有具有压电性，不一定具有铁电性铁电性
25、 压电体、热释电体和铁压电体、热释电体和铁电体均同于介电质晶体电体均同于介电质晶体 第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用 前言前言 透明铁电陶瓷的应用：透明铁电陶瓷的应用：激光技术、计算机技术、全息存贮与显示以及光电激光技术、计算机技术、全息存贮与显示以及光电子学子学 电光效应的应用是以电控双折射和电控散射效应的电光效应的应用是以电控双折射和电控散射效应的形式来实现的形式来实现的 光学性质与晶粒尺寸密切相关：光学性质与晶粒尺寸密切相关：粗晶粒陶瓷粗晶粒陶瓷(晶粒尺寸大于晶粒尺寸大于23m）是电控散射）是电控散射 细晶粒陶瓷电控双折射细晶粒陶瓷电控双折射第三节第三节
26、 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用一一 电控双折射效应电控双折射效应1 电控双折射原理电控双折射原理 极化后的细晶极化后的细晶(晶粒大小约晶粒大小约1一一2m)透明铁电陶瓷，光透明铁电陶瓷，光轴方向为极化轴方向当一束光斜交于陶瓷极化轴方轴方向为极化轴方向当一束光斜交于陶瓷极化轴方向传播时，会产生双折射光束会被分解为两束偏振向传播时，会产生双折射光束会被分解为两束偏振光光o光和光和e光，则有效双折射率光，则有效双折射率nneno透透明铁电陶瓷为负单轴晶，明铁电陶瓷为负单轴晶，n0，且，且n与陶瓷的剩与陶瓷的剩余极化强度余极化强度Pr有关，也与外加电场有关有关，也与外加电场有关
27、 2 电控双折射电控双折射 细晶透明铁电陶瓷的有效双折射率可通过改变剩余极细晶透明铁电陶瓷的有效双折射率可通过改变剩余极化强度化强度Pr和外加电场和外加电场E进行控制进行控制第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用 二二 电控光散射效应电控光散射效应 在粗晶粒透明铁电陶瓷中，透射光是以一定的角度分在粗晶粒透明铁电陶瓷中，透射光是以一定的角度分布向后散射的，而且此角度分布依赖于陶瓷极化轴的布向后散射的，而且此角度分布依赖于陶瓷极化轴的取向，或剩余极化的方向取向，或剩余极化的方向 当施加外电场改变陶瓷极化轴取向时，就可以改变散当施加外电场改变陶瓷极化轴取向时，就可以改变散
28、射光强度的角分布射光强度的角分布 当入射光传播方向与极化强度平行时，光线大部分集当入射光传播方向与极化强度平行时，光线大部分集中于中于2以内以内第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用 光线传播方向与极化强度垂直时，光强的峰值移到光线传播方向与极化强度垂直时，光强的峰值移到15左右，而左右，而2以内只有很小一部分光以内只有很小一部分光 高质量的高质量的PLZT透明铁电陶瓷透明铁电陶瓷SP时，进入检测器的时，进入检测器的相对光强比相对光强比SP时进入检测器的相对光强峰值相差约时进入检测器的相对光强峰值相差约两个数量级以上两个数量级以上 PLZT透明铁电陶瓷制成双稳态光闸
29、、二进位存贮器透明铁电陶瓷制成双稳态光闸、二进位存贮器和显示器等和显示器等 三三 PLZT陶瓷的各种电光性能及应用陶瓷的各种电光性能及应用 La置换将降低置换将降低PLZT材料的铁电材料的铁电非铁电转变温度非铁电转变温度 当当x(PbZr03)x(PbTiO3)6535时，时，x9的的La足足以使铁电相的稳定区域降低到室温以下以使铁电相的稳定区域降低到室温以下 SFE区是弥散型亚稳定铁电相区在此区域内的区是弥散型亚稳定铁电相区在此区域内的PLZT组成能以足够强的电场进行电诱相变，并表现有组成能以足够强的电场进行电诱相变，并表现有弛豫特性弛豫特性 第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料
30、的电光效应及其应用 1 电光行为分区电光行为分区 (1)二次电光效应区：处于铁电和顺电的相界，在二次电光效应区：处于铁电和顺电的相界，在SFE区，组成有区，组成有8.8/65/35、9/65/35、8/70/30 (2)记忆效应区：具有电驱动光开关效应，处于记忆效应区：具有电驱动光开关效应，处于FERh斜斜方铁电相区，组成有方铁电相区，组成有7/65/35和和8/65/35 (3)一次电光效应区：处于一次电光效应区：处于FEt e t四方铁电相区，四方铁电相区，12/40/60和和8/10/90 2 电性能电性能 具有铁电体具有铁电体(或反铁电体或反铁电体)的特性的特性 PLZT陶瓷的介电性能
31、陶瓷的介电性能 具有高的介电常数具有高的介电常数(500一一800)；低到中等的介电低到中等的介电损耗；损耗；高的电阻率；高的电阻率；中等的耐击穿强度中等的耐击穿强度(约约100kvcm)；不同的组成具有不同特性不同的组成具有不同特性(FE、AFE、SFE)的电滞回线的电滞回线 第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用 3 光性能光性能 突出的特点是高透明突出的特点是高透明度，透明度的高低除度，透明度的高低除了工艺因素外与组了工艺因素外与组成中成中La的含量和的含量和x(Zr)x(Ti)的比值有关的比值有关 沿着沿着FE(铁电相铁电相)PE相界的组成具有最相界的组成具
32、有最大透明度大透明度 材料对紫外光具有极材料对紫外光具有极大的吸收能力大的吸收能力,对可见对可见光及红外线是透明的光及红外线是透明的 PLZT陶瓷的折射率很陶瓷的折射率很高高n=2.5，具有高达，具有高达31的表面反射损失的表面反射损失第三节第三节 铁电材料的电光效应及其应用铁电材料的电光效应及其应用 4 电光性能电光性能 最常用的电光模式有：最常用的电光模式有：非记忆、二次双折射非记忆、二次双折射 非记忆、二次去极化非记忆、二次去极化 记忆、线性双折射记忆、线性双折射 记忆双折射记忆双折射 记忆散射记忆散射 前前2种用的是纤细回线种用的是纤细回线(SFE)材料材料 后后3种用的是记忆性材料（
33、有电滞回线种用的是记忆性材料（有电滞回线）5 应用应用 在军事上和工业中护目镜在军事上和工业中护目镜 用作记录的线性光阀阵列用作记录的线性光阀阵列 目前正发展的有光调制器、滤色器和显示器等目前正发展的有光调制器、滤色器和显示器等 PLZT、PZT、PLT等电光薄膜等电光薄膜 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素 材料的化学成分、晶粒间界及预极化条件等材料的化学成分、晶粒间界及预极化条件等 一一 化学成分的影响化学成分的影响 1 压电陶瓷的组成压电陶瓷的组成 性能最好的压电陶瓷是以性能最好的压电陶瓷是以Pb(ZrxTi1-xO3)(PZT)为基的为基的二元系材料
34、以及包括二元系材料以及包括PZT的三元系材料具有高的压的三元系材料具有高的压电耦合系数及其电学和光学特性的有效组合电耦合系数及其电学和光学特性的有效组合 室温下，当室温下，当x0.94时，材料是铁电体在富时，材料是铁电体在富Ti组成区组成区(0 x0.52)属于四方结构；在富属于四方结构；在富Zr区区(0.52x0.94)是三方结构，在是三方结构，在x(Zr)x(Ti)5347附近存在一条铁附近存在一条铁电四方相和铁电三方相的多形相界结构比较松驰，电四方相和铁电三方相的多形相界结构比较松驰，两相具有相近的自由能，自由能差对温度变化不敏感两相具有相近的自由能，自由能差对温度变化不敏感 相界附近的
35、材料具有优良的压电、介电和热释电性能相界附近的材料具有优良的压电、介电和热释电性能 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素 2 相界区的材料特性相界区的材料特性 在外电场或外力作用下，有利于在外电场或外力作用下，有利于Ti、Zr和和O离子位移，离子位移，使自发极化使自发极化Ps容易转向，从而使两相中容易转向，从而使两相中Ps和电场方向和电场方向一致的相体积不断增大，产生大的极化强度，介电常一致的相体积不断增大，产生大的极化强度，介电常数在相界附近出现峰值数在相界附近出现峰值 3 掺杂改性的原理掺杂改性的原理 引起晶格畸变，有利于晶胞自发极化的转向；或者造引起晶格
36、畸变，有利于晶胞自发极化的转向；或者造成成O离子缺位增加，增加电畴运动的阻力；或者形成离子缺位增加，增加电畴运动的阻力；或者形成Pb离子空位，促进畴界的运动离子空位，促进畴界的运动 4 掺杂改性掺杂改性 掺入等价离子取代掺入等价离子取代Pb离子可使居里温度离子可使居里温度Tc降低，介降低，介电常数增大，压电系数、密度有所增加电常数增大，压电系数、密度有所增加 掺入低价离子置换部分掺入低价离子置换部分Pb离子，介电系数降低，损耗、离子，介电系数降低，损耗、电阻率、压电系数下降，矫顽力提高电阻率、压电系数下降，矫顽力提高 掺入高价离子使介电系数、介电及声学损耗、电阻率掺入高价离子使介电系数、介电及
37、声学损耗、电阻率增大矫顽力降低，抗老化性能改善，烧结温度降低增大矫顽力降低，抗老化性能改善，烧结温度降低第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素二二 晶粒间界的影响晶粒间界的影响 1 陶瓷的铁电性能与晶粒尺寸关系陶瓷的铁电性能与晶粒尺寸关系 在小晶粒陶瓷中，晶界往往支配其介电行为。若相邻在小晶粒陶瓷中，晶界往往支配其介电行为。若相邻晶粒内的极化不平行，则交界面处极化的非零散度将晶粒内的极化不平行，则交界面处极化的非零散度将产生退极化场在平衡条件下，退极化场均可被界面产生退极化场在平衡条件下，退极化场均可被界面的自由电荷抵消的自由电荷抵消 在最小的晶粒中，不能在外场
38、中实现电畴反转在最小的晶粒中，不能在外场中实现电畴反转 在中等尺寸的晶粒中电畴反转是可能的在中等尺寸的晶粒中电畴反转是可能的 在最大晶粒时，体积铁电行为起决定性的作用在最大晶粒时，体积铁电行为起决定性的作用 陶瓷的晶粒尺寸可在制备过程中，通过改变烧结温度、陶瓷的晶粒尺寸可在制备过程中，通过改变烧结温度、烧结气氛、保温时间和材料成分加以控制烧结气氛、保温时间和材料成分加以控制 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素 2 半导体陶瓷晶粒影响半导体陶瓷晶粒影响 自由载流子与带电的晶粒间界相互作用从而造成自由载流子与带电的晶粒间界相互作用从而造成居里温度附近电阻和电容的
39、反常行为居里温度附近电阻和电容的反常行为 单晶中居里温度处只观测到电导率的微小变化单晶中居里温度处只观测到电导率的微小变化 陶瓷（多晶）在居里温度以下呈现正常的负电阻陶瓷（多晶）在居里温度以下呈现正常的负电阻温度系数，而在居里温度处电阻突然升高几个数温度系数，而在居里温度处电阻突然升高几个数量级量级 电阻率反常的原因是由于晶粒间界处的肖脱基阻电阻率反常的原因是由于晶粒间界处的肖脱基阻挡层而造成的小晶粒陶瓷中的挡层而造成的小晶粒陶瓷中的PTC反常，一般反常，一般比大晶粒材料的要大通过控制杂质向晶粒表面比大晶粒材料的要大通过控制杂质向晶粒表面区域的扩散或晶界层的部分氧化可以显著地改变区域的扩散或晶
40、界层的部分氧化可以显著地改变PTC效应效应 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素三三 预极化条件预极化条件 1 压电陶瓷压电陶瓷 经直流极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷经直流极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷 2 压电陶瓷的特征压电陶瓷的特征 由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体，烧由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体，烧结后是无规则排列，在宏观上陶瓷材料表现为结后是无规则排列，在宏观上陶瓷材料表现为各向同性，结构上具有球面对称的特征。整个各向同性，结构上具有球面对称的特征。整个陶瓷对外不呈压电性陶瓷对外不呈压电性 陶瓷主晶相是铁电体，对烧结后的铁电陶瓷在陶
41、瓷主晶相是铁电体，对烧结后的铁电陶瓷在一定条件一定条件(即一定温度和时间即一定温度和时间)施加强直流电场，施加强直流电场，将在电场方向显示出一定的净极化强度，烧结将在电场方向显示出一定的净极化强度，烧结后的铁电陶瓷将由各向同性变为各向异性，铁后的铁电陶瓷将由各向同性变为各向异性，铁电陶瓷就变成了压电陶瓷电陶瓷就变成了压电陶瓷 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素 3 预极化条件预极化条件 极化电场、极化温度和极极化电场、极化温度和极化时间化时间 选择极化电场的下限是矫选择极化电场的下限是矫顽场强；饱和场强是极化选顽场强；饱和场强是极化选择的上限，两者都随极化温
42、择的上限，两者都随极化温度的提高而降低随着温度度的提高而降低随着温度升高，电滞回线变窄升高，电滞回线变窄 击穿场强与配方有关，还击穿场强与配方有关，还受样品中的气孔、裂缝及成受样品中的气孔、裂缝及成分不均匀等因素影响分不均匀等因素影响 外加电场超过矫顽场强后，外加电场超过矫顽场强后，极化的建立是突变的，必须极化的建立是突变的，必须保持相当长的时间后才能保持相当长的时间后才能得到一定程度的极化性能得到一定程度的极化性能 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素 生产中极化条件为：极化电场生产中极化条件为：极化电场2.5 4.5kv/mm、极、极化温度化温度100 1
43、50、极化时间为、极化时间为1020min “高温极化法高温极化法”可降低电场强度可降低电场强度四四 薄膜材料的择优取向薄膜材料的择优取向 1 铁电薄膜的特性铁电薄膜的特性 电光效应、非线性光学效应、压电效应和热释电效应电光效应、非线性光学效应、压电效应和热释电效应等多种特性，又具有便于平面化和集成化的特点等多种特性，又具有便于平面化和集成化的特点 PbTiO3(PT)、PZT、PLZT、LiNbO3、Bi4Ti3O12 BaTiO3、Pb1-xLaTi1-x/4O3(PLT)2 铁电薄膜制备方法铁电薄膜制备方法 电子束蒸镀、离子束溅射、射频磁控溅射、射频二极电子束蒸镀、离子束溅射、射频磁控溅
44、射、射频二极溅射、金属有机化学气相淀积和金属有机热分解法等溅射、金属有机化学气相淀积和金属有机热分解法等 第四节第四节 影响材料压电性及铁电性的因素影响材料压电性及铁电性的因素 3 薄膜择优取向薄膜择优取向 薄膜是单晶或是晶粒择优取向的多晶薄膜是单晶或是晶粒择优取向的多晶 实现择优取向的方法主要是采用特定成分和实现择优取向的方法主要是采用特定成分和特定取向的单晶作为基片，选择适当的基片特定取向的单晶作为基片，选择适当的基片温度或辅之以随后的热处理温度或辅之以随后的热处理 高度择优取向的薄膜已具有接近优质材料的高度择优取向的薄膜已具有接近优质材料的自发极化和热释电系效，但矫顽场较大，光自发极化和热释电系效，但矫顽场较大，光的传播损耗较严重的传播损耗较严重
