第十二章_材料压电性能与铁电性能

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1、第十二章材料的压电性能与铁电性能压电效应1880年发现．铁电体1920年发现，铁电体是重要的功能材料第一节压电性能第二节热释电与铁电性能第三节铁电材料的电光效应及其应用第四节影响材料压电性与铁电性的因素第一节压电性能一压电效应的基本原理1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面电荷的现象2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、负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电3正压电效应4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电荷中

2、心的位移，导致晶体发生形变第一节压电性能5压电材料机电耦合效应二压电振子与压电方程1压电振子及其特征频率（1）压电振子的基本概念压电振子固有振动频率fr(2)最小阻抗频率fm振子阻抗为最小的频率(3)最大阻抗频率fn振子阻抗为最大的频率(4)有损耗的压电振子等效电路图第一节压电性能(5)特征频率的含义第一节压电性能2边界条件机械边界条件：机械自由，机械夹持电学边界条件：电学短路，电学开路压电振子共有四类边界条件第一节压电性能三压电性能的主要参数1介电常数反映材料的介电性质（或极化性能）2介质损耗表征介电发热导致的能量损耗3弹性系数压电体是一个弹

3、性体，服从虎克定律4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5机械品质因数表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量6机电耦合系数表征机械能与电能相互转换能力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。当沿压电陶瓷的极化方向（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d33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；T3为应力；D3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）

4、、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、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K

5、31（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。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、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，

6、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×ltD为圆片的直径t为薄板的厚度l为棒的长度lt为薄板的厚度第一节压电性能四压电材料的应用1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2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试元件等3高

7、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第二节热释电与铁电性能一自发极化及其微观机制1自发极化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，其电场强度取决于自发极化强度2局部电场形成的基本原理偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移，则极化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移，对于任何一个单个的A离子，即使无外场作用，也有来自周围极化P所产生的局部电场3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

8、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第二节热释电与铁电性能二晶体的热释电效应1热释电效应及其产生条件（1）热释电效应晶体因温