压电陶瓷材料及应用.doc

1、压 电 陶 瓷 材 料 及 应 用一 、 概 述1.1 电 介 质电 介 质 材 料 的 研 究 与 发 展 成 为 一 个 工 业 领 域 和 学 科 领 域 ， 是 在 20世 纪 随 着 电 气 工 业 的 发 展 而 形 成 的 。 国 际 上 电 介 质 学 科 是 在 20 世 纪20 年 代 至 30 年 代 形 成 的 ， 具 有 标 志 性 的 事 件 是 ： 电 气 及 电 子 工 程 师 学 会（ IEEE） 在 1920 年 开 始 召 开 国 际 绝 缘 介 质 会 议 ， 以 后 又 建 立 了 相 应 的 分会 （ IEEE Dielectric and Elec

2、trical Insulation Society） 。 美 国 MIT 建 立了 以 Hippel 教 授 为 首 的 绝 缘 研 究 室 。 苏 联 列 宁 格 勒 工 学 院 建 立 了 电 气 绝缘 与 电 缆 技 术 专 业 ， 莫 斯 科 工 学 院 建 立 了 电 介 质 与 半 导 体 专 业 。 特 别 是 德国 德 拜 教 授 在 20 世 纪 30 年 代 由 于 研 究 了 电 介 质 的 极 化 和 损 耗 特 性 与 其分 子 结 构 关 系 获 得 了 诺 贝 尔 奖 ， 奠 定 了 电 介 质 物 理 学 科 的 基 础 。 随 着 电 器和 电 子 工 程 的

3、 发 展 ， 形 成 了 研 究 电 介 质 极 化 、 损 耗 、 电 导 、 击 穿 为 中 心 内容 的 电 介 质 物 理 学 科 。我 国 电 介 质 领 域 的 发 展 是 在 1952 年 第 一 个 五 年 计 划 制 定 和 实 行 以 来 ，电 力 工 业 和 相 应 的 电 工 制 造 业 得 到 迅 速 发 展 ， 这 些 校 、 院 、 所 、 首 先 在 我国 开 展 了 有 关 电 介 质 特 性 的 研 究 和 人 才 的 培 养 ， 并 开 出 了 “电 介 质 物理 ”、 “电 介 质 化 学 ”等 关 键 专 业 课 程 ， 西 安 交 大 于 上 海 交

4、 大 、 哈 尔 滨 工大 等 院 校 一 道 为 我 国 培 养 了 数 千 名 绝 缘 电 介 质 专 业 人 才 ， 促 进 了 我 国 工 程电 介 质 的 发 展 。 80 年 代 初 中 国 电 工 技 术 学 会 又 建 立 了 工 程 电 介 质 专 业 委员 会 。近 年 来 ， 随 着 电 子 技 术 、 空 间 技 术 、 激 光 技 术 、 计 算 机 技 术 等 新 技 术的 兴 起 以 及 基 础 理 论 和 测 试 技 术 的 发 展 ， 人 们 创 造 各 种 性 能 的 功 能 陶 瓷 介质 。 主 要 有 ：（ 1） 、 电 子 功 能 陶 瓷 如 高 温

5、高 压 绝 缘 陶 瓷 、 高 导 热 绝 缘 陶 瓷 、 低热 膨 胀 陶 瓷 、 半 导 体 陶 瓷 、 超 导 陶 瓷 、 导 电 陶 瓷 等 。（ 2） 、 化 学 功 能 陶 瓷 如 各 种 传 感 器 、 化 学 泵 等 。（ 3） 、 电 光 陶 瓷 和 光 学 陶 瓷 如 铁 电 、 压 电 、 热 电 陶 瓷 、 透 光 陶 瓷 、光 色 陶 瓷 、 玻 璃 光 纤 等 。 （ 电 介 质 物 理 邓 宏 ）功 能 陶 瓷 作 为 信 息 时 代 的 支 柱 材 料 ， 以 其 独 特 的 力 、 热 、 电 、 磁 、 光以 及 声 学 等 功 能 性 质 ， 在 各 类

6、信 息 的 检 测 、 转 换 、 处 理 和 存 储 中 具 有 广 泛的 应 用 ， 是 一 类 重 要 的 、 国 际 竞 争 极 为 激 烈 的 高 技 术 材 料 。 压 电 陶 瓷 作 为重 要 的 功 能 材 料 在 电 子 材 料 领 域 占 据 相 当 大 的 比 重 。 （ 材 料 一 ）1.2 压 电 材 料 的 分 类具 有 压 电 效 应 的 材 料 称 为 压 电 材 料 。 自 1880 年 Jacques Curie 和Pierre Curie 发 现 压 电 效 应 以 来 ， 压 电 材 料 发 展 十 分 迅 速 。 利 用 压 电 材 料构 成 的 压

7、电 器 件 不 仅 广 泛 用 于 电 子 学 的 各 个 领 域 ， 而 且 已 遍 及 日 常 生 活 。例 如 ， 农 村 中 家 家 户 户 屋 檐 下 挂 的 小 喇 叭 -压 电 陶 瓷 扬 声 器 ； 医 院 里 检查 心 脏 、 肝 部 的 超 声 诊 断 仪 上 的 探 头 -压 电 超 声 换 能 器 ； 电 子 仪 器 内 的各 种 压 电 滤 波 器 ； 石 油 、 化 工 用 各 种 压 电 测 压 器 、 压 电 流 量 仪 等 等 。 压 电材 料 主 要 有 压 电 晶 体 、 陶 瓷 、 压 电 薄 膜 、 压 电 聚 合 物 及 复 合 压 电 材 料 等（

8、 如 图 1.1 所 示 ） 。图 1.1 压 电 材 料 的 分 类压 电 单 晶 体 是 指 按 晶 体 空 间 点 阵 长 程 有 序 生 长 而 成 的 晶 体 。 这 种 晶 体结 构 无 对 称 中 心 ， 因 此 具 有 压 电 性 。 如 水 晶 （ 石 英 晶 体 ） 、 镓 酸 锂 等 。压 电 陶 瓷 是 经 过 直 流 高 电 压 极 化 处 理 过 后 具 有 压 电 性 的 铁 电 陶 瓷 。 这些 构 成 铁 电 陶 瓷 的 晶 粒 的 结 构 一 般 是 不 具 有 对 称 中 心 的 ， 存 在 着 与 其 它 晶轴 不 同 的 极 化 轴 ， 而 且 它 们

9、 的 原 胞 正 负 电 荷 重 心 不 重 合 ， 即 有 固 有 电 矩 自 发 极 化 （ Ps） 存 在 。 然 而 ， 铁 电 陶 瓷 是 由 许 多 细 小 晶 粒 聚 集 在 一 起 构成 的 多 晶 体 。 这 些 小 晶 粒 在 陶 瓷 烧 结 后 ， 通 常 是 无 规 则 地 排 列 的 。 而 且 ，各 晶 粒 间 自 发 极 化 方 向 杂 乱 ， 总 的 压 电 效 应 会 互 相 抵 消 ， 因 此 在 宏 观 上 往往 不 呈 现 压 电 性 能 。 在 外 电 场 作 用 下 ， 铁 电 陶 瓷 的 自 发 极 化 强 度 可 以 发 生转 向 ， 在 外 电

10、 场 去 除 后 还 能 保 持 着 一 定 值 剩 余 极 化 （ Pr） ， 如 图1.2 所 示 ， 其 中 Ec 为 矫 顽 场 ， Psat 为 饱 和 极 化 强 度 （ 定 义 ） 。 利 用 铁 电材 料 晶 体 结 构 中 的 这 种 特 性 ， 可 以 对 烧 成 后 的 铁 电 陶 瓷 在 一 定 的 温 度 、 时间 条 件 下 ， 用 强 直 流 电 场 处 理 ， 使 之 在 沿 电 场 方 向 显 示 出 一 定 的 净 极 化 强度 。 这 一 过 程 称 为 人 工 极 化 。 经 过 极 化 处 理 后 ， 烧 结 的 铁 电 陶 瓷 将 由 各 向同 性

11、变 成 各 向 异 性 ， 并 因 此 具 有 压 电 效 应 。 由 此 可 见 ， 陶 瓷 的 压 电 效 应 来源 于 材 料 本 身 的 铁 电 性 。 因 此 ， 所 有 的 压 电 陶 瓷 也 都 应 是 铁 电 陶 瓷 。图 1.2 铁 电 材 料 的 电 滞 回 线相 比 较 而 言 ， 压 电 陶 瓷 压 电 性 强 、 介 电 常 数 高 、 可 以 加 工 成 任 意 形 状 ，但 机 械 品 质 因 子 较 低 、 电 损 耗 较 大 、 稳 定 性 差 ， 因 而 适 合 于 大 功 率 换 能 器和 宽 带 滤 波 器 等 应 用 ， 但 对 高 频 、 高 稳 定

12、 应 用 不 理 想 。 石 英 等 压 电 单 晶 压电 性 弱 ， 介 电 常 数 很 低 ， 受 切 割 限 制 存 在 尺 寸 局 限 ， 但 稳 定 性 很 高 ， 机 械品 质 因 子 高 ， 多 用 来 作 标 准 品 率 控 制 的 振 子 、 高 选 择 性 （ 多 属 高 频 狭 带 通 ）的 滤 波 器 以 及 高 频 、 高 温 超 声 换 能 器 等 。压 电 薄 膜 是 一 种 独 特 的 高 分 子 传 感 材 料 ， 能 相 对 于 压 力 或 拉 伸 力 的 变化 输 出 电 压 信 号 ， 因 此 是 一 种 理 想 的 动 态 应 变 片 ， 压 电 薄

13、膜 元 件 通 常 由 四部 分 组 成 ： 金 属 电 极 、 加 强 电 压 信 号 压 膜 、 引 线 和 屏 蔽 层 。压 电 聚 合 物 ， 如 偏 聚 氟 乙 烯 （ PVDF） （ 薄 膜 ） 等 ， 具 有 材 质 柔 韧 ，低 密 度 ， 低 阻 抗 和 高 压 电 电 压 常 数 （ g） 等 优 点 ， 为 世 人 瞩 目 且 发 展 十分 迅 速 ， 现 在 水 声 超 声 测 量 、 压 力 传 感 、 引 燃 引 爆 等 方 面 获 得 应 用 。 不 足之 处 是 压 电 应 变 常 数 （ d） 偏 低 ， 使 之 作 为 有 源 发 射 换 能 器 受 到 很

14、 大 的 限制 。复 合 压 电 材 料 ， 是 在 有 机 聚 合 物 基 底 材 料 中 嵌 入 片 状 、 棒 状 、 杆 状 、或 粉 末 状 压 电 材 料 构 成 的 。 至 今 已 在 水 声 、 电 声 、 超 声 、 医 学 等 领 域 得 到广 泛 的 应 用 。 如 它 制 成 的 水 声 换 能 器 ， 不 仅 具 有 高 的 静 水 压 响 应 速 率 ， 而且 耐 冲 击 ， 不 易 受 损 且 可 用 于 不 同 的 深 度 。 （ 材 料 一 ）1.3 发 展 概 况1942-1945 年 间 发 现 钛 酸 钡 （ BaTiO3） 具 有 异 常 高 的 介

15、电 常 数 ， 不久 又 发 现 它 具 有 压 电 性 ， BaTiO3 压 电 陶 瓷 的 发 现 是 压 电 材 料 的 一 个 飞 跃 。这 以 前 只 有 压 电 单 晶 材 料 ， 此 后 出 现 了 压 电 多 晶 材 料 压 电 陶 瓷 ，并 获 得 广 泛 应 用 。 1947 年 美 国 用 BaTiO3 陶 瓷 制 造 留 声 机 用 拾 音 器 ， 日本 比 美 国 晚 用 两 年 。 BaTiO3 存 在 压 电 性 比 罗 息 盐 弱 和 压 电 性 随 温 度 变 化比 石 英 晶 体 大 的 缺 点 。 1954 年 美 国 B贾 菲 等 人 发 现 了 压 电

16、 PbZrO3-PbTiO3（ PZT） 固 溶 体 系 统 ， 这 是 一 个 划 时 代 大 事 ， 使 在 BaTiO3 时 代不 能 制 作 的 器 件 成 为 可 能 。 此 后 又 研 制 出 PLZT 透 明 压 电 陶 瓷 ， 使 压 电陶 瓷 的 应 用 扩 展 到 光 学 领 域 。六 十 年 代 初 ， Smolensky 等 人 对 复 合 钙 钛 矿 型 化 合 物 进 行 了 系 统 的 研究 ， 提 出 可 以 用 不 同 原 子 价 的 元 素 组 合 取 代 钙 钛 矿 结 构 中 的 A-位 和B-位 离 子 ， 大 大 增 加 了 钙 钛 矿 型 化 合

17、物 的 种 类 。 如 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)、 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PNN)、 Pb(Sb1/3Nb2/3)O3(PSN)等 ， 这 些 新 的二 元 系 压 电 陶 瓷 不 仅 各 有 特 色 ， 而 且 陶 瓷 的 烧 结 温 度 低 ， 工 艺 重 复 性 好 ，对 压 电 材 料 的 发 展 起 了 积 极 作 用 。 1965 年 ， 日 本 松 下 电 气 公 司 的H.Ouchi 发 表 了 把 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 作 为 第 三 组 分 加 到 PZT 陶 瓷 中 制 成的 三 元 系 压 电 陶 瓷 （ 简 称 PCM） ，

18、发 现 它 具 有 良 好 的 压 电 性 能 。 1969年 ， 我 国 压 电 与 声 光 技 术 研 究 所 研 制 成 功 把 Pb(Mn1/3Sb2/3)O3 作 为 第 三组 分 加 到 PZT 中 的 三 元 系 压 电 陶 瓷 ， 性 能 比 PZT 和 PCM 优 越 。 经 过10 多 年 的 深 入 研 究 和 广 泛 应 用 ， 这 种 材 料 成 为 我 国 自 成 体 系 的 、 具 有 独 特性 能 的 、 工 艺 稳 定 的 三 元 系 压 电 陶 瓷 ， 起 名 PMS。 PMS 压 电 陶 瓷 和 用它 作 换 能 器 的 压 电 晶 体 速 率 陀 螺 均

19、 先 后 获 国 家 科 委 发 明 奖 。80 年 代 ， 为 了 既 能 满 足 人 类 日 益 增 长 的 物 质 文 化 生 活 需 要 ， 又 能 减 少对 环 境 的 污 染 ， 保 护 人 类 赖 以 生 存 的 生 态 环 境 ， 简 化 材 料 制 备 工 艺 ， 开 始了 非 铅 基 铁 电 压 电 陶 瓷 的 研 究 工 作 。 非 铅 基 铁 电 压 电 陶 瓷 主 要 是 以 铌 酸 盐和 钛 酸 盐 为 主 的 化 合 物 。 虽 然 这 类 材 料 的 目 前 压 电 性 能 还 不 如 锆 钛 酸 铅 系 ，但 是 非 铅 基 铁 电 压 电 陶 瓷 的 研 究

20、 开 发 已 成 为 压 电 陶 瓷 材 料 领 域 的 研 究 前 沿之 一 。二 、 压 电 陶 瓷 的 压 电 机 理 与 性 能 参 数压 电 陶 瓷 是 一 种 多 晶 体 ， 它 的 压 电 性 可 由 晶 体 的 压 电 性 来 解 释 ， 晶 体在 机 械 力 作 用 下 ， 总 的 电 偶 极 矩 （ 极 化 ） 发 生 变 化 ， 从 而 呈 现 压 电 现 象 、因 此 压 电 性 与 极 化 ， 形 变 等 有 密 切 关 系 。2.1 极 化 的 微 观 机 理在 电 场 的 作 用 下 ， 电 介 质 内 部 沿 电 场 方 向 感 应 出 偶 极 矩 ， 即 在

21、电 介 质表 面 出 现 束 缚 电 荷 的 物 理 现 象 。 极 化 状 态 是 电 场 对 电 介 质 的 荷 电 质 点 产生 相 对 位 移 的 作 用 力 与 电 荷 间 互 相 吸 引 力 的 暂 时 平 衡 统 一 的 状 态 。 极 化 机理 主 要 有 三 种 。（ 1） 电 子 位 移 极 化 在 外 电 场 作 用 下 ， 构 成 原 子 外 围 的 电 子 云 相对 于 原 子 核 发 生 位 移 ， 这 种 极 化 称 为 电 子 位 移 极 化 （ 电 子 极 化 ） ， 其 极化 率 称 为 电 子 位 移 极 化 率 。e电 子 位 移 极 化 结 论 是 ：

22、 对 于 同 族 元 素 ： 由 上 到 下 增 大 ， 因 ： 外 层e电 子 数 增 加 ， 原 子 半 径 R 增 大 ； 对 于 同 周 期 元 素 ： 不 定 ， 因 为 外 层 电 子数 虽 然 增 加 ， 但 轨 道 半 径 可 能 减 小 ； 离 子 的 电 子 位 移 极 化 率 的 变 化 规 律 与原 子 大 致 相 同 ； 离 子 半 径 大 ， 极 化 率 大 ； 实 测 电 子 位 移 极 化 率 与 理 论 结 果仍 有 差 别 ， 但 研 究 发 现 ， 值 大 ， 对 极 化 贡 献 大 ； 电 子 位 移 极304/e化 率 与 温 度 无 关 ， 因 为

23、， R 与 T 无 关 ； 极 化 率 为 快 极 化 ： 10-15 10-16s， 该 极 化 无 损 耗 。 在 光 频 下 ， 只 有 电 子 极 化 ， 介 质 的 光 折 射 率 为 ：（ 2） 离 子 位 移 极 化 离 子 晶 体 中 正 、 负 离 子 发 生 相 对 位 移 而 形 成 的 极化 ， 称 为 离 子 （ 位 移 ） 极 化 (Ionic polarization)。 极 化 率 用 表 示 。 离i子 位 移 极 化 结 论 是 ： 离 子 位 移 极 化 率 与 电 子 位 移 极 化 率 几 乎 有 相 同 的 数 量级 ， 均 在 （ 10-10） 3

24、 10-40 法 米 2 数 量 级 ； 离 子 位 移 极 化 只 可 能 在 离4子 晶 体 中 存 在 ， 液 体 或 气 体 介 质 中 不 存 在 离 子 极 化 ； 离 子 位 移 极 化 只 与 离子 晶 体 结 构 参 数 有 关 ， 与 温 度 无 关 ； 离 子 位 移 极 化 建 立 或 消 除 时 间 与 离 子晶 格 振 动 周 期 有 相 同 数 量 级 ， 10-1210-13 秒 。（ 3） 取 向 极 化 当 极 性 分 子 受 外 电 场 作 用 时 ， 偶 极 子 就 会 产 生 转矩 ， 由 于 偶 极 子 与 电 场 方 向 相 同 时 具 有 最 小

25、 位 能 ， 于 是 就 电 介 质 整 体 来 看 ，偶 极 矩 不 再 等 于 零 ， 而 出 现 沿 电 场 方 向 的 宏 观 偶 极 矩 ， 这 种 极 化 现 象 称 为偶 极 子 转 向 极 化 ， 用 表 示 。d是 极 性 分 子 固 有 偶 极 矩 (2)KTd3200 米库 301根 据 电 介 质 分 子 参 与 极 化 运 动 的 种 类 ， 把 极 化 分 成 三 类 ： 电 子 位 移极 化 ； 离 子 位 移 极 化 ； 偶 极 矩 转 向 极 化 。e id(3)ENEp iidie 00 1:,1或电 介 质 的 总 极 化 为 ：对 于 各 向 异 性 晶

26、 体 ， 极 化 强 度 与 电 场 存 在 有 如 下 关 系m， n=1， 2， 3 (4)式 中 为 极 化 率 ， 或 用 电 位 移 写 成 ： (5)图 PPt9 微 观 机 理 图2.2 压 电 性 、 铁 电 性 与 反 铁 电 性2.2.1 压 电 效 应压 电 效 应 是 1880 年 由 JacquesCurie 和 PierreCurie 发 现 的 。 他 们 在研 究 热 电 性 与 晶 体 对 称 性 的 关 系 时 ， 发 现 在 一 些 无 对 称 中 心 晶 体 的 特 定 方向 上 施 加 压 力 时 ， 相 应 的 表 面 上 出 现 正 或 负 的 电

27、 荷 ， 而 且 电 荷 密 度 与 压 力大 小 成 正 比 ； 同 年 ， 他 们 证 实 了 这 类 晶 体 具 有 可 逆 的 性 质 ， 即 晶 体 的 形 状会 受 外 加 电 场 的 作 用 发 生 微 小 的 变 化 （ 如 图 2.1 所 示 ） 。图 2.2 压 电 效 应 示 意 图（ a） 正 压 电 效 应 ； （ b） 逆 压 电 效 应 ( 收 缩 膨 胀 )。（ 1） 正 压 电 效 应 ， 压 电 晶 体 在 外 力 作 用 下 发 生 形 变 时 ， 正 、 负 电 荷中 心 发 生 相 对 位 移 ， 在 某 些 相 对 应 的 面 上 产 生 异 号 电

28、 荷 ， 出 现 极 化 强 度 。这 种 没 有 电 场 作 用 ， 由 形 变 产 生 极 化 的 现 象 称 为 正 压 电 效 应 。对 于 各 向 异 性 晶 体 ， 对 晶 体 施 加 应 力 ； （ 相 应 的 应 变 ） 时 ，晶 体 将 在 X， Y， Z 三 个 方 向 出 现 与 成 正 比 的 极 化 强 度 ， 即 ： (6)式 中 ， 分 别 称 为 压 电 应 力 常 数 与 压 电 应 变 常 数 。(2)逆 压 电 效 应当 给 晶 体 施 加 一 电 场 时 ， 不 仅 产 生 了 极 化 ， 同 时 还 产 生 形 变 ， 这 种 由电 场 产 生 形 变

29、 的 现 象 称 为 逆 压 电 效 应 。 这 是 由 于 晶 体 受 电 场 作 用 时 ， 在 晶体 内 部 产 生 了 应 力 （ 压 电 应 力 ） ， 通 过 应 力 作 用 产 生 压 电 应 变 。 存 在 如 下关 系(7)或 (8)式 中 和 分 别 为 d 和 e 的 转 量 矩 。在 晶 体 中 ， 如 果 单 位 晶 胞 中 的 正 、 负 电 荷 中 心 不 相 重 合 ， 即 每 一 个 晶胞 具 有 一 定 的 固 有 偶 极 矩 时 ， 由 于 晶 体 构 造 的 周 期 性 和 重 复 性 ， 单 位 晶 胞的 固 有 偶 极 矩 便 会 沿 同 一 方 向

30、 排 列 整 齐 ， 使 晶 体 处 于 高 度 极 化 状 态 下 。 由于 这 种 极 化 状 态 是 在 外 场 为 零 时 自 发 产 生 的 ， 因 而 称 之 为 自 发 极 化 。 铁 电性 是 指 材 料 不 仅 在 外 电 场 不 存 在 时 ， 在 某 温 度 范 围 内 具 有 自 发 极 化 ， 而 且自 发 极 化 矢 量 的 取 向 能 随 外 电 场 的 改 变 而 改 变 方 向 的 性 质 。压 电 性 对 晶 体 对 称 性 的 要 求 是 没 有 对 称 中 心 。 自 发 极 化 对 晶 体 对 称 性的 要 求 是 具 有 特 殊 的 极 性 方 向

31、。 具 有 特 殊 极 性 方 向 的 晶 体 必 然 没 有 对 称 中心 ， 所 以 具 有 铁 电 性 的 晶 体 必 然 具 有 压 电 性 。 电 介 质 、 压 电 体 、 热 电 体 、铁 电 体 的 关 系 如 图 2.2 所 示 。图 2.3 电 介 质 、 压 电 体 、 热 电 体 、 铁 电 体 的 关 系 示 意 图2.1.1 压 电 体当 晶 体 上 特 定 方 向 上 施 加 压 力 或 拉 力 ， 晶 体 的 一 些 对 应 的 表 面 上 分 别出 现 正 、 负 束 缚 电 荷 ， 其 电 荷 密 度 与 外 施 力 的 大 小 成 正 比 例 。 压 电

32、体 的 必要 条 件 ： 晶 体 不 具 有 对 称 中 心 。图图 ppt242.1.2 铁 电 体在 具 有 压 电 性 的 晶 体 中 ， 有 若 干 种 晶 体 不 仅 在 一 定 温 度 范 围 内 具 有 自发 极 化 ， 而 且 其 自 发 极 化 强 度 可 以 因 外 电 场 而 反 向 ， 并 呈 现 电 滞 回 线 ， 这类 晶 体 称 之 为 铁 电 体 （ ferroelectrics） .通 常 ， 一 个 铁 电 体 并 不 是 在 一 个 方 向 上 单 一 地 产 生 自 发 极 化 的 ， 而 是有 类 似 于 许 多 孪 晶 的 区 域 ， 这 些 区 域

33、 称 为 铁 电 畴 （ domain） 。 在 一 个 铁电 畴 内 ， 自 发 极 化 的 方 向 是 一 致 的 。 两 畴 之 间 的 界 壁 称 为 畴 壁（ domain wall） 。 一 块 铁 电 晶 体 往 往 是 多 畴 的 ， 但 有 时 也 会 出 现 单 畴 晶体 ， 强 的 外 电 场 可 使 一 个 多 畴 晶 体 变 成 单 畴 晶 体 或 使 单 畴 晶 体 的 自 发 极 化反 向 ， 这 样 的 动 力 学 过 程 就 称 为 畴 的 反 转 ， 畴 反 转 的 过 程 包 括 了 畴 壁 运 动和 新 畴 成 核 的 过 程 。图 2.5 铁 电 体

34、的 电 畴 结 构 和 特 性在 初 始 状 态 ， 就 铁 电 体 整 体 而 言 ， 对 外 界 将 不 呈 现 电 荷 和 极 化 状 态（ 相 当 与 回 线 的 O 点 ） 。铁 电 体 的 重 要 特 征 之 一 是 具 有 电 滞 回 线 （ hysteresis loop） ， 典型 的 铁 电 体 的 P-E（ 极 化 强 度 -外 加 电 场 ） 回 线 如 图 1.2 所 示 。常 见 的 铁 电 体 有 ： 酒 石 酸 钾 钠 （ NaKC4H4O64H2O） ， 磷 酸 二 氢 钾（ KH2PO4） ， 钛 酸 钡 （ BaTiO3） 。电 滞 回 线 表 明 铁 电

35、 体 的 极 化 强 度 P 与 外 加 电 场 E 之 间 呈 非 线 性 关 系 ，且 自 发 极 化 可 随 外 电 场 方 向 反 向 而 反 向 。 回 线 所 包 围 的 面 积 就 是 极 化 强 度反 转 两 次 所 需 要 的 能 量 。铁 电 体 还 有 两 个 重 要 特 征 ， 具 有 高 的 介 电 常 数 ， 几 百 几 万 ； 介 电常 数 与 电 场 强 度 大 小 有 关 。除 了 铁 电 体 外 ， 还 有 一 类 反 铁 电 体 （ anti-ferroelectrics） 。 反 铁 电 体的 结 构 可 以 看 成 是 两 个 套 子 晶 格 交 叠

36、而 成 ， 而 这 两 个 子 晶 格 的 电 矩 方 向 是反 向 平 行 的 ， 如 图 2.6 武 1-3。 因 此 反 铁 电 体 与 铁 电 体 不 同 ， 从 宏 观 上 看它 没 有 自 发 极 化 ， 整 个 晶 体 的 总 电 矩 为 零 。 在 强 直 流 电 场 的 作 用 下 ， 反 铁电 体 的 P-E 关 系 变 化 呈 现 双 电 滞 回 线 ， 如 图 2.7 所 示 1-4。临 界 特 性 是 铁 电 体 的 重 要 特 性 。 对 位 移 型 相 变 的 材 料 ， 自 发 极 化 或 晶格 自 发 极 化 强 度 随 温 度 升 高 而 减 小 ， 并 在

37、 某 一 临 界 温 度 时 变 为 零 ， 这 个 转变 温 度 就 是 居 里 温 度 Tc。 当 温 度 高 于 Tc 时 ， 晶 体 发 生 结 构 相 变 ， 自 发极 化 消 失 并 呈 现 出 对 称 相 ， 称 为 顺 电 相 。 即 ： 当 TTc 时 ， Ps=0。 反 铁 电 体 也 具 有 临 界 温 度 Tc,Tc 以 上 为 顺 电 相 ， Tc 以下 为 对 称 性 较 低 的 反 铁 电 相 ， 即 ： 当 TTc 时 ， Pa=Pb=0（ 其 中 ， Ps 为 自 发 极 化 强 度 ， Pa、 Pb 为 反 铁 电体 两 套 子 晶 格 的 自 发 极 化

38、强 度 ） 。当 铁 电 体 温 度 高 于 居 里 温 度 时 ， 铁 电 体 的 介 电 常 数 随 温 度 T 变 化关 系 符 合 居 里 外 斯 （ Curie-Weiss） 定 律 ：(9)0T式 中 ， T0 为 居 里 -外 斯 特 征 温 度 ， C 为 居 里 常 数 。2.1.3 热 释 电 体热 释 电 晶 体 只 要 温 度 变 化 ， 由 于 其 自 发 极 化 强 度 随 温 度 变 化 的 缘 故 ，会 在 特 定 方 向 产 生 表 面 电 荷 ， 这 就 是 最 先 由 Brewster 命 名 的 热 释 电 现象 。 当 晶 体 具 有 自 发 极 化

39、， 即 晶 体 结 构 的 某 些 方 向 正 负 电 荷 重 心 不 重 合 或者 不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其 他 极 化 轴 不 同 的 唯 一 极 化 轴 时 ， 才 有可 能 由 于 热 膨 胀 引 起 电 矩 变 化 而 导 致 热 释 电 效 应 。 有 10 种 点 群 的 晶 体具 有 热 释 电 效 应 ， 如 钛 酸 钡 ， 硫 酸 三 甘 酞 ， 一 水 合 硫 酸 锂 ， 铌 酸 锂 等 。 热释 电 体 不 同 于 铁 电 体 ； 铁 电 体 存 在 电 滞 回 线 ； 铁 电 体 必 须 是 热 释 电 体 、 压电 体 。2.2 压 电 陶

40、 瓷 的 性 能 参 数压 电 陶 瓷 的 性 能 参 数 较 多 ， 其 中 比 较 常 用 的 有 介 电 常 数 、 介 质 损 耗 、机 电 耦 合 系 数 、 压 电 常 数 、 居 里 温 度 、 频 率 常 数 、 弹 性 系 数 等 。1、 介 电 常 数 r介 电 常 数 是 表 征 压 电 体 的 介 电 性 质 或 极 化 性 质 的 一 个 参 数 ， 通 常 用表 示 ， 其 单 位 为 法 拉 /米 。有 时 也 使 用 相 对 介 电 常 数 ， 它 与 介 电 常 数 的 关 系 为 ：r（ 10）0r式 中 为 真 空 介 电 常 数 ， 其 值 为 8.85

41、 10-12 法 拉 /米 。 相 对 介 电 常 数0 是 一 个 没 有 量 纲 的 物 理 量 。r2、 介 质 损 耗 tan任 何 电 介 质 ， 包 括 压 电 晶 体 在 内 ， 当 它 处 在 电 场 中 ， 尤 其 是 在 交 变 电场 中 长 期 工 作 时 ， 都 有 发 热 的 现 象 。 这 种 现 象 说 明 介 质 内 部 发 生 了 某 种 能量 的 耗 散 ， 这 就 是 介 质 损 耗 。 介 质 损 耗 是 表 征 介 质 品 质 的 一 个 重 要 指 标 。在 交 变 电 场 下 ， 压 电 陶 瓷 所 积 累 的 电 荷 有 两 种 分 量 ： 一

42、种 为 有 功 部 分（ 同 相 ） ， 另 一 种 为 无 功 部 分 （ 异 相 ） 。 前 者 由 电 导 过 程 引 起 ， 后 者 由 介质 驰 豫 过 程 引 起 。 介 质 损 耗 即 为 上 述 的 异 相 分 量 与 同 相 分 量 的 比 值 ， 通 常用 tan 表 示 。 称 为 介 质 损 耗 角 ， 物 理 含 义 是 在 交 变 电 场 下 电 介 质 的 电位 移 D 与 电 场 强 度 E 的 相 位 差 。介 质 损 耗 的 倒 数 称 为 电 学 品 质 因 数 Qe。一 般 说 来 ， 介 质 损 耗 越 大 ， 材 料 性 能 就 越 差 。 所 以

43、介 质 损 耗 是 衡 量 材料 性 能 、 选 择 材 料 、 制 作 器 件 的 重 要 依 据 之 一 。 压 电 陶 瓷 的 介 电 损 耗 大 致分 为 三 种 ： 漏 电 流 损 耗 、 介 质 不 均 匀 所 引 起 的 损 耗 和 电 极 化 引 起 的 损 耗 。其 主 要 的 介 电 损 耗 是 电 极 化 引 起 的 损 耗 。3、 机 械 品 质 因 数 Qm机 械 品 质 因 数 Qm 表 示 陶 瓷 材 料 在 谐 振 时 机 械 损 耗 的 大 小 。 产 生 机 械损 耗 的 原 因 是 材 料 存 在 内 摩 擦 。 当 压 电 元 件 振 动 时 ， 要 克

44、 服 摩 擦 而 消 耗 能量 。 机 械 品 质 因 数 Qm 与 机 械 损 耗 成 反 比 。 机 械 品 质 因 数 越 高 ， 能 量 损耗 就 越 小 。不 同 的 压 电 器 件 对 压 电 陶 瓷 材 料 的 Qm 值 有 不 同 的 要 求 ， 多 数 的 陶瓷 滤 波 器 要 求 压 电 陶 瓷 材 料 的 Qm 值 要 高 ， 而 音 响 器 件 及 接 收 型 换 能 器则 要 求 Qm 值 要 低 。4、 机 电 耦 合 系 数 K机 电 耦 合 系 数 K 就 是 指 压 电 材 料 中 与 压 电 效 应 相 联 系 的 相 互 作 用 能密 度 与 弹 性 密

45、度 和 节 电 能 密 度 的 几 何 平 均 值 之 比 。 它 是 综 合 反 映 一 定 性 能的 参 数 ， 机 电 耦 合 系 数 反 映 压 电 陶 瓷 材 料 的 机 械 能 与 电 能 之 间 的 耦 合 效 应 。（ 11）能电输 入 的 总 机 械 能机 械转 换 获 得 的 电 )(2k由 于 压 电 陶 瓷 元 件 的 机 械 能 与 元 件 的 形 状 和 振 动 模 式 有 关 ， 因 此 对 不同 的 振 动 模 式 有 不 同 的 耦 合 系 数 ， 常 用 以 下 五 个 基 本 耦 合 系 数 ： 平 面 机 电 耦 合 系 数 kp（ 反 映 薄 圆 片

46、沿 厚 度 方 向 极 化 和 电 激 励 ， 作径 向 伸 缩 振 动 时 机 电 耦 合 效 应 的 参 数 ） 。 横 向 机 电 耦 合 系 数 k31（ 反 映 细 长 条 沿 厚 度 方 向 极 化 和 电 激 励 ， 作长 度 伸 缩 振 动 的 机 电 耦 合 效 应 的 参 数 ） 。 纵 向 机 电 耦 合 系 数 k33（ 反 映 细 棒 沿 长 度 方 向 极 化 和 电 激 励 ， 作 长度 伸 缩 振 动 的 机 电 耦 合 效 应 的 参 数 ） 。 厚 度 伸 缩 机 电 耦 合 系 数 kt（ 反 映 薄 片 沿 厚 度 方 向 极 化 和 电 激 励 ，作

47、厚 度 方 向 伸 缩 振 动 的 机 电 效 应 的 参 数 ） 。 厚 度 切 变 机 电 耦 合 系 数 k15（ 反 映 矩 形 板 沿 长 度 方 向 极 化 ， 激 励 电场 的 方 向 垂 直 于 极 化 方 向 ， 作 厚 度 切 变 振 动 时 机 电 耦 合 效 应 的 参 数 ） 。5、 压 电 常 数压 电 常 数 是 压 电 材 料 所 特 有 的 一 种 参 数 ， 它 反 映 材 料 “压 ”与“电 ”之 间 的 耦 合 效 应 ， 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

48、 应 力 （ 或 应 变 ） 和 电 场 （ 或 电 位 移 ） 之 间 的联 系 ， 直 接 反 映 了 材 料 及 电 性 能 的 耦 合 关 系 和 压 电 效 应 的 强 弱 。 压 电 常 数不 仅 与 机 械 边 界 条 件 有 关 ， 而 且 与 电 学 边 界 条 件 有 关 。 压 电 常 数 主 要 有 压电 应 变 常 数 d、 压 电 电 压 常 数 g、 压 电 应 力 常 数 e 和 压 电 刚 度 常 数 h 等四 组 ， 其 中 压 电 应 变 常 数 d、 压 电 电 压 常 数 g 比 较 常 用 ， 且 存 在 如 下 关系 ： （ 12）g式 中 ， 是

49、 介 电 常 数 。6、 居 里 温 度 Tc压 电 陶 瓷 只 在 某 一 温 度 范 围 内 具 有 压 电 效 应 ， 它 有 一 临 界 温 度Tc， 当 温 度 高 于 Tc 时 ， 压 电 陶 瓷 发 生 结 构 相 转 变 ， 这 个 临 界 温 度 Tc称 为 居 里 温 度 。7、 频 率 常 数 N对 于 某 一 陶 瓷 材 料 ， 其 压 电 振 子 的 谐 振 频 率 和 振 子 的 振 动 方 向 的 长 度之 乘 积 是 一 个 常 数 ， 这 个 常 数 就 是 频 率 常 数 。 如 果 外 加 电 场 垂 直 于 振 动 方向 ， 此 谐 振 频 率 为 串 联 谐 振 频 率 ； 如 果 外 加 电 场 平 行 于 振 动 方 向 ， 此 谐 振频 率 为 并 联 谐 振 频 率 。8、 弹 性 系 数压 电 陶 瓷 是 一 个 弹 性 体 ， 它 服 从 胡 克 定 律 ： 在 弹 性 限 度 范 围 内 ， 应 力与 应 变 成 正 比 。 压 电 陶 瓷 具 有 压 电