材料的介电特性教学PPT铁电体性能及其微结构.ppt

§ 6.2 铁电体、反铁电体与压电体 电介质在外加电场作用产生极化，极化强度与宏观电场E 成正比，为线性介质。 没有外电场作用时也存在自发极化的晶体称为极性晶体，自发极化方向能随电场改变的晶体称为铁电体。 铁电体在性能上表现为强烈的电场、温度与频率敏感性。铁电体的极化强度P(或电位移D)与电场强度E之间存在强烈非线性关系(即电滞回线)。 畴结构 畴是原子或离子极化子有序排列的区域。通常每个畴内原子或离子作周期性重复排列，畴与畴之间有边界—畴壁。畴的大小、形貌、取向和对称性取决于材料的内禀性质（如交换能、各向异性能、形变能和缺陷等）及外场和温度的变化。 铁电畴：相邻两畴的自发极化方向呈反平行方向排列的畴称180度畴，相邻两畴的自发极化方向呈90度称90度畴，其间的畴壁分别称180度和90度畴壁。由于晶粒取向是随机的，在没有外电场时，整个晶体宏观上不显示电偶极矩。 二、 铁电相变 铁电体对应于一类典型的相变，即从高温相(顺电相)转变成有自发极化的低温相(铁电相)，这一相变温度即为curie温度。这里，高温相为高对称性的非极性相，而低温相为非中心对称的极性相。 沿一个晶轴方向极化从顺电相到铁电相的过渡时无序—有序相变。 可以沿几个晶轴极化，为位移型相变，从顺电相到铁电相的过渡是两个子晶格之间发生位移。 三、铁电体的发现 1920年发现酒石酸钾钠NaK（C4H4O6·4H2O）类似于磁滞回线的电滞回线。 1935年至1938年，发现磷酸二氢钾（KDP）也具有类似于酒石酸钾钠特殊介电行为，KDP具有压电效应，是无序—有序相变的软铁电体，在二次大战期间在水声方面得到了广泛应用。 1945年科学家找到了室温相对介电常数高达1000-3000的钛酸钡（BT）陶瓷。报道了BT陶瓷的铁电性是位移型的硬铁电体。 BT晶体具有钙钛矿结构，每个晶胞只有5个原子，具有此种结构的铁电体在目前已发现的一千多种铁电晶体中所占分额最大。 四、铁电晶体结构 铁电陶瓷从晶体结构上看，主晶相具有每个晶跑内部因正负电荷的中心不重合，产生了自发极化，形成偶极子。众多极化方向相同的晶胞构成了电畴，电畴又构成了晶粒。 五、 反铁电体 对于某些离子晶体，自发极化反向排列较之平行排列时，极化子的相互作用能更低，因而趋于反向排列。这类晶体成为反铁电体，其P- E关系为双电滞回线。 材料在电场达到某一临 界值之前表现为线性关系，而 超过临界电场后则出现电滞回 线。这一现象对应于电场诱导 的铁电—反铁电相变。 如三氧化钨，锆酸铅 六、压电体 某些晶体(无对称中心)在应力场X作用下，会产生极化 。相反，这类晶体在电场作用下则产生位移。上述现象分别称为压电效应与逆压电效应，这类晶体称为压电体。压电效应可表示为： P = εE+dX x = dE+sX 压电陶瓷 压电陶瓷及压电机理 压电陶瓷绝大部分是具有自发极化的铁电材料，如钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、锆钛酸铅等。 极化后的压电材料，因极化时电畴的转动，c轴方向与极化方向基本一致，去除外加电场后，陶瓷内部就产生了剩余极化强度，陶瓷表面就产生了束缚电荷。 § 6.3 铁电陶瓷的性能与微结构关系 氧化物铁电体主要出现于钙钛矿、钨青铜、焦绿等的层状化合物等晶体结构中。 其结构均为Ti4+、Nb5+ 离子为中心的氧八面体的网络结构，这些迁移元素能形成极化率很大的能动离子，产生大介电常数。 Ti的电子能量与3d、4s及4P轨道有关，这些轨道与邻接的6个O2-的σ-与π-轨道杂化，以(TiO 6)8-络合物形式形成多种分子轨道。正八面体通过变形降低对称性，能使其结合能降低，导致自发极化、铁电状态与大介电常数的实现。 对于电介质陶瓷的极化与变形有贡献的另一类能动离子是孤对离子。孤对离子在外侧的非对称杂化轨道中有2个电子。氧化物中最重要的孤对离子是Pb2+与Bi3+。 BaTiO 3铁电陶瓷