材料科学-材料性能和指标.pptVIP

* (3) Ferroelectricity 2.4.3 铁电性与压电性Ferroelectricity and Piezoelectricity 在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性。 具有自发极化的晶体是一个永久带电体，在晶体内部及外部建立电场，电场强度取决于晶体的自发极化强度Ps Chapter3 Properties of Materials * 铁电型电滞回线 * 居里温度Tc Curie temperature 钛酸钡：是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，被誉为”电子陶瓷工业的支柱 压电材料 是具有压电效应的物质。 石英表，电报，超声仪， 耳机，录音机…… 某些电介质,外力的作用→变形→内部极化→表面正负电荷，外力去掉→恢复到不带电的状态；正压电效应。 相反，电介质极化方向电场→发生变形，电场去掉后→变形随之消失；逆压电效应，或电致伸缩现象。 quartz 电气石 高频震动→高频电流；高频电信号→高频声信号（机械震动） 压电性 Piezoelectricity ⑴石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。 不受力 石英晶体压电模型 压电效应的物理机制 天然形成的石英晶体外形 石英晶体切片及双面镀银封装 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 ⑵ 压电陶瓷 未极化处理无压电效应。极化处理→两端出现束缚电荷→表面吸附外界自由电荷。施加外压→陶瓷片形变→片内束缚电荷层间距变小，两端束缚电荷影响增强→表面的自由电荷过剩放电。外力是拉力→充电。 图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图 自由电荷 自由电荷 电极 束缚电荷 　 压电晶体 压电陶瓷 高分子压电材料 压电系数 低 中 高 居里点 高 中 低 热稳定性 高 中 低 价格 高 低 低 在一定的温度范围之内,压电性质一直存在, 温度超过这个范围之后,压电性质完全消失 这个高温就是所谓的“居里点” 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。 当沿压电材料的极化方向（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： 式中Q为产生电荷，Ａ为电极面积，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。d33/ε=g33 压电电压常数 压电材料性能指标 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： 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。 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： 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 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 薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t 细长棒K33振动 N33=fr×l 薄板切变K15振动 N15=fr×lt D为圆片的直径 t为薄板的厚度 l为棒的长度 lt为薄板的厚度 无机压电材料 有机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 通常为PVDF及其共聚物（薄膜） 2. 压电材料的分类 压电晶体: 一般是指压电单晶体。例如水晶、镓酸锂(LiGaO2 )、锗酸锂(Li2GeO3) 、锗酸钛、酒石酸钾钠等。 压电复合材料 压电陶瓷: 泛指压电多晶体，也是铁电陶瓷。例如：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT (Pb(ZrTi)O3) 、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN等 半导体 ZnS, ZnO 工艺性差 （粉化，PbO易挥发）