压电、热释电与铁电说明材料.ppt

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1、铁电、压电、热释电压电材料的发展历史1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，1947年

2、，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性。随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。BaTiO3时代难于实用化的一些用途，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器，随着PZT的问世，而迅速地实用化，应用声表面波（SAW）的滤波器、延

3、迟线和振荡器等SAW器件，在七十年代后期也取得了实用化。上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。后来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如:Pb(Ni1/3Nb2/

4、3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。什么是铁电体铁电体主要特征典型的铁电材料的主要物理性质铁电材料的分类反铁电体基本定义具有自发极化强度（Ps）SpontaneousPolarization自发极化强度能在外加电场下反转,SwitchablePsNote:铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧洲（如法国、德国）常称“铁电体

5、”为“薛格涅特电性”（Seignett-electricity）或“罗息尔电性”（Rochell-electricity）。因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。铁电的理论解释钛酸钡的Slater理论KDP的Slater理论Slater-DevonshiretheoryforBaTiO3BaTiO3的稳定态是钙钛矿结构，120C以下显示出铁电性。钙钛矿结构的化学分子式为ABO3，其中A代表二价或一价金属，B四价或五价

6、金属；其结构特点是具有氧八面体结构，在氧八面体中央为半径较小的金属离子，而氧又被挤在半径较大的金属离子中间。钙钛矿化合物大多数具有铁电性（如PbTiO3、KNbO3和KTaO3等），可能与结构上的这些特点有关。钙钛矿结构的铁电晶体其顺电—铁电相变都是属于位移相变，而是BaTiO3位移型铁电体的典型代表。在BaTiO3晶体中，氧形成氧八面体，氧离子半径较小，氧的离子半径RO=1.32Å。四价金属离子Ti4+位于氧八面体中心，RTi=0.64Å。二价金属离子Ba2+位于氧八面体之间的间隙里，离子半径较大，RB

7、a=1.43Å。立方相-><-四方相BaTiO3PbTiO3<-立方相<-四方相在温度低于1460℃，高于120℃时，BaTiO3属于立方晶系m3m点群，不具有铁电性。温度降至120℃时，其结构转变为四方晶系4mm点群，c轴略有伸长，c/a≈1.01.自发极化沿c轴方向具有明显的铁电性质。当温度降至0℃（±5℃）附近，晶格结构转变为正交晶系2mm点群，具有铁电性，自发极化沿原来立方晶胞的[011]方向。通常把正交晶系的a轴取在极化方向上，正交晶系的b轴取相邻立方晶胞的[01]方向，并于a轴垂直，c轴垂直于

8、a轴和b轴并平行与原立方晶胞[100]方向。当温度降至-80℃时，晶格结构变为三角晶系的3m点群，仍具有铁电性，自发极化沿原立方晶胞的[111]方向。三角晶胞的三个边相等，a=b=c，角α=89°52’。BaTiO3在不同温度范围内的单位晶胞和自发极化方向的改变示于图8—2中。图(b)(c)(d)中的虚线表示原顺电相时的立方晶胞，粗箭头表示自发极化的方向。BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位移模型出发而发展起来的。对B