1、第五部分、材料的壓電性能,授課：付鵬 QQ:54085222 E-mail: ,第五部分 壓電與鐵電性能,壓電性能；熱釋電性；鐵電性能。,1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)； 1920年，Valasek發(fā)現(xiàn)鐵電體； 40年代中期，壓電材料開(kāi)始廣泛應(yīng)用。 60-70年代達(dá)成熟階段。,對(duì)晶體對(duì)稱性的研究，法國(guó)居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。,Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.,Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906,某些物質(zhì)沿其一定

2、的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)” 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽环粗?，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。,一、壓電效應(yīng)的基本原理,1 壓電現(xiàn)象,壓電效應(yīng)及可逆性,2、壓電效應(yīng)的物理機(jī)制 (1) 壓電單晶,晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而

3、產(chǎn)生的。,(1) 壓電單晶,(2) 壓電陶瓷,壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理與壓電單晶大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強(qiáng)度會(huì)使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個(gè)表面吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，并使整個(gè)壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會(huì)產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對(duì)另一端異號(hào)的束縛電荷影向增強(qiáng)，而使表面的自由電荷過(guò)剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。,(2) 壓電陶瓷,（3）壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件,晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)

4、有對(duì)稱中心。 壓電體是電介質(zhì)。 其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)。即壓電體是離子晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體。,（4）壓電材料的壓電常數(shù),張量表示的必要性：,T1T3分別為沿 x、y、z 軸的正應(yīng)力（或應(yīng) 力分量）， T4T6分別為繞 x、y、z軸的切 向應(yīng)力， D1D3分別是 x、y、z 表面由于壓 電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。,石英晶體,BaTiO3陶瓷,因?yàn)榫w對(duì)稱原因，只有以上幾個(gè)壓電應(yīng)變常量不為零，其他都為零,二、 壓電振子的諧振特性,壓電振子：極化后的壓電體。 諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻率 與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振。,1 諧振特性,諧振頻率：形成駐波的頻率。

5、形成駐波的條件：L= n / 2 振動(dòng)頻率：f r=u/ （ u-聲波的傳播速度，與物體的 密度和彈性模量有關(guān)） 諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 頻率為基頻，其它為二、三次等泛頻，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小(電流最大)的頻率f m附近，此頻率為最小阻抗頻率。頻率繼續(xù)增大，阻抗達(dá)到一個(gè)極大值，相應(yīng)的頻率f n叫做反諧振頻率。,壓電振子的阻抗頻率變化,2 晶體振蕩電路 （1） 石英晶體的諧振特性與等效電路 石英晶體諧振器是晶振電路的核心元件, 其結(jié)構(gòu)和外形如圖7.12所示。 石英晶體諧振 器是從一塊石英晶體上按確定的方位角切下的薄片,

6、 這種晶片可以是正方形、矩形或圓形、 音叉形的, 然后將晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上涂敷銀層, 并裝上一對(duì)金屬板, 接出引線, 封裝于金屬殼內(nèi)。 ,為什么石英晶體能作為一個(gè)諧振回路, 而且具有極高的頻率穩(wěn)定度呢？這要從石英晶體的固有特性來(lái)進(jìn)行分析。 物理學(xué)的研究表明， 當(dāng)石英晶體受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，即在兩極板上加以交流電壓，石英晶體便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。 反過(guò)來(lái)，若對(duì)石英晶體施加周期性機(jī)械力， 使其發(fā)生振動(dòng)， 則又會(huì)在晶體表面出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場(chǎng)和電荷, 即在極板上有交變電壓。當(dāng)外加電場(chǎng)的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生“機(jī)電共振”， 振幅明顯加大， 這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。 它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似

7、。,圖 7.12石英晶體諧振器 (a) 石英晶體振蕩器； (b) 外形圖,壓電諧振的固有頻率與石英晶體的外形尺寸及切割方式有關(guān)。 從電路上分析, 石英晶體可以等效為一個(gè)LC電路, 把它接到振蕩器上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。 圖7.13為石英晶體在電路中的符號(hào)和等效電路。 ,圖 7.13石英晶體的符號(hào)和 等效電路 (a) 符號(hào)； (b) 等效電路,圖7.14 石英晶體的電抗頻率特性,圖7.14為石英晶體諧振器的電抗-頻率特性。 由圖7.14可知, 它具有兩個(gè)諧振頻率, 一個(gè)是L、 C、 R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)的串聯(lián)諧振頻率fs， 另一個(gè)是L、 C、 R支路與C0支路發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)的并聯(lián)諧振頻率fp，由

8、圖 7.13 等效電路得:,（7.13）,（7.14）,通過(guò)該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對(duì)值， 對(duì)其求導(dǎo)，在R=0時(shí)，求出fm，fn fm=1/2(L1C1)1/2 (串聯(lián)諧振） fn=1/2L1C1C0/(C0+C1) (并聯(lián)諧振）,壓電振子的等效電路,根據(jù)高頻電子線路的知識(shí)可以 知道，壓電振子的交流等效回 路是LCR電路，存在兩個(gè)諧振 頻率：串聯(lián)諧振頻率S 和并 聯(lián)諧振頻率P 。,三、壓電方程,負(fù)號(hào)的含義 加電場(chǎng)后，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低,負(fù)號(hào)的含義 加應(yīng)力后，造成同等極化需要的電場(chǎng)降低,負(fù)號(hào)的含義 允許極化時(shí)，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低,負(fù)號(hào)的含義 允許應(yīng)變時(shí)，造成同等極化需要的

9、電場(chǎng)降低,四、壓電性能的主要參數(shù),五、壓電材料的分類及特性,壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓電材料。,（一）石英晶體（單晶） 石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定。它還具有自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。,（二）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。 常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種： 1. 鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT） 2. 非鉛系壓電陶瓷,（三）高分子壓電材料 高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材

10、料?？筛鶕?jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制。在一些不要求測(cè)量精度的場(chǎng)合，例如水聲測(cè)量，防盜、振動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。,六、壓電傳感器的應(yīng)用,石英晶體主要用于精密測(cè)量，多作為實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機(jī)械強(qiáng)度稍低，多用作測(cè)力和振動(dòng)傳感器；而高分子壓電材料多用作定性測(cè)量。下面分別介紹幾種典型的應(yīng)用，并對(duì)振動(dòng)測(cè)量給予簡(jiǎn)介。,壓電材料的應(yīng)用,1.玻璃打碎報(bào)警裝置 玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲至超聲波（高于20kHz）的振動(dòng)。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。,2壓電式周界報(bào)警系

11、統(tǒng) 周界報(bào)警系統(tǒng)又稱線控報(bào)警系統(tǒng)。它警戒的是一條邊界包圍的重要區(qū)域。當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。,3.交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車速、載荷分布、車型等。,壓電式傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，一般需將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出來(lái)。因此與之相配的前置放大器有電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。,3.電荷放大器,壓電式加速度計(jì),(a)中心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型,S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。,它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有

12、頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。,壓電式鋁殼蜂鳴器,膠殼引線蜂鳴器廣泛應(yīng)用于電話機(jī)、電子鐘、電器產(chǎn)品、防盜報(bào)警、井下報(bào)警、煙霧報(bào)警和電子玩具發(fā)聲之用途。鋁殼蜂鳴器可應(yīng)用于電子臺(tái)歷、數(shù)碼相機(jī)、各種儀器儀表、防丟防盜器、驗(yàn)鈔機(jī)、玩具等發(fā)聲用途。,7.1 自發(fā)極化,在晶體中，如果晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，即每一個(gè)晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會(huì)沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)。 這種在無(wú)外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化,氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。,（b）由熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的自發(fā)極化,較高溫度時(shí)，鈦離子熱振動(dòng)能較大，

13、難于在偏離中心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高的對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。（如圖A所示）,較低溫度時(shí)，鈦離子熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱振動(dòng)能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場(chǎng)作用，有可能偏離平衡位置向某一個(gè)氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。（如圖B所示）,由極性軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)，外電場(chǎng)的作用并不能改變晶體的極化強(qiáng)度，也不能改變其方向，所有質(zhì)點(diǎn)的偶極矩都平行，大部分是一個(gè)電疇。這樣晶體具有

14、熱釋電性，大都為單疇體。 由熱運(yùn)動(dòng)引起自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點(diǎn)和電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。,C、 兩種自發(fā)極化機(jī)制的比較：,熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力作用引起壓電效應(yīng)外，還可以由于溫度變化時(shí)的熱膨脹作用而使其電極化強(qiáng)度變化，引起自由電荷的充放電現(xiàn)象。,5.2 熱釋電性效應(yīng),產(chǎn)生的條件： 一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。所謂極軸，顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往具有不同的性質(zhì)，且采用對(duì)稱操作不能與其它晶向重合的方向。,石英晶體：,加熱前,加熱后,圖示：壓電體不一定具有熱釋電性,5. 3 晶體的鐵電性,在熱釋電晶體中，有若干種點(diǎn)群的晶

15、體不但在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，在不超過(guò)晶體擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下，其取向可以隨電場(chǎng)改變，這種特性稱為鐵電性。具有這種性質(zhì)的晶體成為鐵電體。 鐵電體的共同特征：具有電滯回線；具有結(jié)構(gòu)相變溫度（居里點(diǎn)）；具有臨界特性 鐵電體重要的特征之一是電滯回線。,電疇,Ps：自發(fā)極化強(qiáng)度； Pr：剩余極化強(qiáng)度； EC ：矯頑場(chǎng)強(qiáng)。,電 疇,設(shè)一鐵電體整體呈現(xiàn)自發(fā)極化，晶體正負(fù)端分別有一層正、負(fù)束縛電荷。在受機(jī)械約束時(shí)，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加，整個(gè)均勻極化的狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成多個(gè)小區(qū)域。每個(gè)區(qū)域內(nèi)部偶極子沿同一方向，但不同小區(qū)域的方向不同，這每個(gè)小區(qū)

16、域稱為電疇（簡(jiǎn)稱疇）。疇之間邊界區(qū)域稱之為疇壁。,BaTiO3晶體電疇結(jié)構(gòu)示意圖,為減少靜電能，電疇取向呈雜亂分布，施加電場(chǎng)后，通過(guò)疇壁運(yùn)動(dòng)，多疇體變?yōu)閱萎狊w，電場(chǎng)進(jìn)一步升高則只能帶來(lái)電子和離子位移極化。,電疇結(jié)構(gòu)示意圖,（2）居里溫度：鐵電順電轉(zhuǎn)變溫度,當(dāng)溫度高于某一數(shù)值時(shí)，由于熱擾動(dòng)，自發(fā)極化變?yōu)榱?，晶體將不再具備鐵電性，這一臨界溫度就稱為居里溫度Tc。 在居里點(diǎn)以下，由于存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。居里電以上，材料為順電相。 BaTiO3的例子： 120 05 909 ,（3）臨界特性,晶體在發(fā)生順電-鐵電相變或其它極化狀態(tài)發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)相變時(shí)，晶體的一系列物理性質(zhì)發(fā)生反常變

17、化。例如晶體的介電性質(zhì)、彈性、壓電性、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)等大都出現(xiàn)明顯的變化。晶體在相變點(diǎn)附近發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象。,5.4 鐵電性、壓電性、熱釋電性的關(guān)系,一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體存在的宏觀條件,具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性，但具有鐵電性的晶體一定具有熱釋電性。三者的關(guān)系如下圖所示。,一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體所屬的點(diǎn)群,壓電材料分類及其應(yīng)用,1、壓電單晶材料：如水晶（石英）、LiNbO3、Bi2GeO3、Li2GeO3、Li3BO4等。 2、壓電陶瓷材料：如BaTiO3、PbTiO3、PZT以及其它三元系陶瓷。PZT: Pb(Zr1-xTix)

18、O3 3、壓電薄膜：如ZnO、CdS以、AlN、PLZT等 4、壓電高分子：天然高分子，如骨、DNA、聚氨基酸；合成高分子，如聚偏氟乙烯（VDF）、偏氟乙烯與三氯乙烯共聚物VDF/TrFE 5、壓電復(fù)合材料：由壓電陶瓷和高分子聚合物或其他材料復(fù)合而成，性能可大幅度調(diào)整。,（1）壓電材料的分類,（2）壓電材料的應(yīng)用,壓電功能： 揚(yáng)聲器、送話筒、晶體振蕩器等等 熱釋電功能： 紅外熱電探測(cè)器等 鐵電功能： 壓電振子、鐵電存儲(chǔ)器、精密位移 計(jì)、陶瓷濾波器、電子打火器等等 電致伸縮功能： 電光功能： 電控雙折射、電控光散射,（3）壓電振子的振動(dòng)模式 伸縮振動(dòng)、切變振動(dòng)、彎曲振動(dòng),伸縮振動(dòng)：極化方向與電場(chǎng)方向平行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。 包括長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)、厚度伸縮振動(dòng)。 切變振動(dòng)：極化方向與電場(chǎng)方向垂直時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。 包括平面切變振動(dòng)、厚度切變振動(dòng)。 縱向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸平行。 橫向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸垂直。 彎曲振動(dòng)