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钛酸钡的布局:钙钛矿型布局 ? ? °° 等轴晶系(

发布时间:2019-11-06

  材料的介电机能_材料科学_工程科技_专业材料。6.5 铁电性取压电性 6.5.1 概述 介电体 压电体 热释电体 铁电体 晶体的介电性:电场感化惹起电介质发生极化的现象. P= (?1- ?o)E = ?o (? r- 1) E 正压电效应:

  6.5 铁电性取压电性 6.5.1 概述 介电体 压电体 热释电体 铁电体 晶体的介电性:电场感化惹起电介质发生极化的现象. P= (?1- ?o)E = ?o (? r- 1) E 正压电效应:电介质材料正在小外力感化下,正在某些相对应的概况上 发生等量异号电荷,由形变发生电极化。P=d ?(不具有对称核心 的晶体)(水晶、罗息盐、闪锌矿) 逆压电效应: S=dtE 电致伸缩效应:电介质正在大外力感化下,需考虑非线 热释电效应:正在热均衡前提下,电介质因自觉极化要发生概况 电荷,这种电荷被来自空气中附集于电介质概况上的电荷所补 偿,其电不克不及出来,,当温度发生变化,由温度变化惹起电介 质的极化形态的改变不克不及及时被来自电介质概况上的电荷所补 偿,使电介质对外显电性。?Ps=p ?T(具有自觉极化的晶体) 铁电性:正在必然温度范畴内具有自觉极化,正在外电场感化下,自觉 极化能从头取向,电位移矢量取电场强度间的关系呈电畅回线特征。 (具有自觉极化的晶体) 6.5.2 自觉极化 (1) 不具有自觉极化特征, 但为不合错误称中构,正在 外力的感化下,发生极化。 + + + - + + - ± + + - + - + - 未加应力 加应力发生极化, 正负电荷核心分隔 加应力不产 生极化 (2) 含有对称核心的布局 + - + ± - + + - 布局含有正负离子 未加应力 加应力正负电荷核心不分隔,不发生极化 (3) 无对称核心,且本身具有自觉极化特征的布局 例1:具有极性轴或布局本身具有自觉极化的布局 + 固 有 偶 极 子 正 电 荷 层 取 负 电 荷 层 交 替 排 列 + + + + - + + - + + 纤锌矿(ZnS)布局正在(010)上投影 暗示晶体极性链 的两种方式 - + - + - 极 化 轴 C + - + - + + - + + - + + - - + + - + - 例2:由热活动惹起的自觉极化 铁电体的位移性理论: 自觉极化次要是由晶体中某些离子偏离了均衡, 使单元晶胞中呈现了偶极矩,偶极矩之间的彼此感化 使偏离均衡的离子正在新的上不变下来,同时 晶体布局发生了畸变。 钛酸钡的布局:钙钛矿型布局 ? ? ? ? ? ? ° ? ? ° ? ? ? ? ? 等轴晶系(大于120oC) : 晶胞:a=4.01A 氧离子的半径:1.32A 钛离子的半径: 0.64 钛离子处于氧八面体中, 两个氧离子间的空地为:4.01-2× 1.32= 1.37 钛离子的曲径:2× 0.64= 1。28 成果: 氧八面体空腔体积大于钛离子体积,给钛离子位移的 余地。 较高温度时,热振动能比力大,钛离子难于正在偏离中 心的某一个上固定下来,接近六个氧离子的几率 相等,晶体连结高的对称性,自觉极化为零。 温度降低,钛离子平均热振动能降低,因热涨落,热 振动能出格低的离子占很大比例,其能量不脚以降服 氧离子电场感化,有可能向某一个氧离子接近,正在新 均衡上固定下来,并使这一氧离子呈现强烈极化, 发生自觉极化,使晶体顺着这个标的目的耽误,晶胞发生 轻细畸变,由立方变为四方晶体。 ? ? ? 钛、氧离子的位移 自觉极化:这种极化形态并非由外电场惹起,而是由 晶体的内部布局惹起。正在这类晶体中,每一个晶胞内 存正在有固有电矩,凡是将这类晶体称为极性晶体。 一般介电极化,是介质正在外电场感化下惹起,没有外 电场,这些介质的极化强度为0。 ? ? ? ° ? ? ° ? ? ? ? ? 固 有 偶 极 子 电畴的构成:很多固有电偶极矩发生自觉平行陈列 构成一个畴。 无外加电场时,电畴正在晶体平分布乱七八糟,使整 个晶体表示为电中性,宏不雅上无极性。 外电场感化时,沿电场标的目的极化畴长大,逆电场方 向的畴消逝,其它标的目的分布的电畴转到电场标的目的, 极化强度随外加电场的添加而添加,一曲到整个结 晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续添加电 场只要电子取离子的极化效应,和一般电介质一样。 两种极性(自觉极化)晶体的比力: 由极化轴惹起自觉极化的晶体,这种晶体的内部电 场很强,外电场的感化并不克不及改变晶体的极化强度, 也不克不及改变其标的目的,所有质点的偶极矩都平行,大 部门是一个电畴,如许的热释电体大部门为一个电 畴。 由热活动惹起的自觉极化的晶体,发生多畴,有居 里点和电畅回线等特征,这类晶体具有热释电性和 铁电性。 介电晶类(32种) 不具有对称 极性晶类(热 核心的晶类 释电晶类) (21种) (10种) 非极性晶类 此中压电晶 类 (11种) (20种) 具有对称核心的晶类 (11种) 1 , 2 , 3 , 4 , 6 , m,赌大小! mm2.4mm,3m,6mm 222,-4,-6,23,423(不具有压 电性),-43m,422, -42m,32,622,-6m2 -1,2/m,4/m,3,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/ mmm,m3m,-3m 具有压电性材料不必然铁电体 例如: 具有压电性材料又有铁电性的材料 BaTiO3 、Pb(Zr、Ti)O3、 Pb(Co 1/3 Nb 2/3 )O3 、 Pb(Mn ? Sb ? )O3 、Pb(Sb ? Nb ? )O3。 ?----石英、纤维锌矿(ZnS)仅有铁电性。 6.5.3 铁电性 1. 铁电体 电介质的极化强度取电场呈反比: P= ?o ?eE 铁电材料的极化强度不取的电场成线性关系,并具 有较着的畅后。二者典型的关系如下图: 铁电性:正在必然温度范畴内具有自觉极化,正在外电 场感化下,自觉极化能从头取向,电位移矢量取电 场强度间的关系呈电畅回线特征。 P P sB Pr EC AO C Ps:无电场时单畴 的自觉极化强度; E Pr:残剩极化强度; EC :矫顽场强。 铁电陶瓷的电畅回线 自觉极化:正在某一低温时因为热能所形成的偶极子紊乱 陈列被局部电场合降服,从而发生自觉极化,晶体中每 一个晶胞里存正在固有的电偶极矩,构成永世偶极矩。这 种电偶极子正在无任何外场感化时自觉陈列。 极性晶体:具有自觉极化特征的晶体。 铁电体:正在必然温度范畴内含有能自觉极化,且自觉极化 标的目的可随外电场做可逆动弹晶体。即具有铁电性晶体。 铁电晶体的特点:极性晶体、特殊的晶体布局(自觉极化 改变标的目的时,晶体构制不发生大的畸变。 铁电晶体的两大类:有序—无序型铁电体(自觉极化同个 分袂子的有序化相联系);位移型铁电体(自觉极化统一 类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的全体位移相联系)。 3 . 铁电体的机能及使用 (1)机能 电畅回线 介电特征 非线)使用 热释电材料的使用 通明铁电材料的使用 铁电电容器的使用 独石电容器布局图 片式布局 外层纯Sn电极 陶瓷介质 两头Ni电极 底层Ag电极 PbAg内 电极 印刷电极 带引线布局 环氧包封 镀锡铜线. 压电效应 压电效应: 正压电效应:正在极性晶体上压力、张力、切 向力时,则发生取应力成比例的介质极化,同时 正在晶体两头将呈现正负电荷。 逆压电效应:正在极性晶体上电场惹起极化, 则将发生取电场强度成比例的变形或机械应力。 ------- + + + + + 极化标的目的 ------- + + + + + 电荷 - - - - - + + + + + + + 极化标的目的 - - - - - + + + + + + + - - - - - ------- 电荷 + + + + + 极化标的目的 - - - - - + + + + + + + + + + + + 正压电效应 逆压电效应 正压电效应的电位移取的应力有如下关系: D=dT d:压电 逆压电效应的应变取的电场强度有如下关 系: S=dE d:压电 注:正、逆压电效应的压电一样。 2. 压电材料的机能 (1)机电巧合系数 (2)机械质量因数 (3)频次 (4)压电 (5)弹性模量、相对介电、居里温度等。 介电质的根基机能:介电、介电损耗等 特殊使用要求的机能:如:滤波器要求谐振频次不变 性高 3. 压电振子谐振特征及振动模式 (1) 谐振特征 压电振子:极化后的压电体。 谐振的发生:对压电振子交变电场,当电场频 率取压电体的固有频次分歧时,发生谐振。 反谐振 谐振 频次 谐振频次:构成驻波的频次。 构成驻波的前提:L= n? / 2 振动频次:f r=u/ ?( u----声波的速度取物体的密度 和弹性模量相关) 谐振线度尺寸取频次的关系:L= n( u/ f r ) / 2 n=1, 频次为基频,其它为二、三次等谐振 当发生谐振时,电流取电压同相,发生正在振子最小 (电流最大)的频次f m附近. 正在两个谐振之间有一反谐振f a ,电流取电压同相,发生 正在振子最大(输出电压最大)的频次f n附近。 L1 C1 R C0 压电振子的等效电 电感的意义:当某一振子正在交 变电场的感化下,发生形变, 惹起另一压电振子形变,从而 出电荷。其缘由是因为振 子的惯性惹起,可等效为振子 的质量,而电容可等效为弹性 ,电阻由内摩擦惹起。 通过该等效电图求出这一电的绝对值,对其求 导,正在R=0时,求出fm,fn fm=1/[2?(L1C1)1/2] 此时有:fm=fr,fn= (谐振) fn=1/{2?[L1C1C0/(C0+C1)] ?} (并联谐振) (2)压电振子的振动模式 伸缩振动、切变振动、弯曲振动 沿轴向振动 薄片型 极 化 方 向 薄长片 轮廓振动或 径向振动 厚度振动 厚度切 变振动 长度振动 横向效应 极化标的目的 伸缩振动:极化标的目的取电场标的目的平行时发生的振动。 包罗长度伸缩振动、厚度伸缩振动。 切变振动:极化标的目的取电场标的目的垂曲时发生的振动。 包罗平面切变振动、厚度切变振动。 纵向效应:弹性波标的目的取极化轴平行。 横向效应:弹性波标的目的取极化轴垂曲。 弯曲振动:具有两种以上激励电极的振子,正在极化方 向取电场标的目的平行而的体例分歧时,发生的振动。 包罗厚度弯曲和横向弯曲。 各类振动模式可达到的频次范畴 振动模式 1K 弯曲振动 长度振动 轮廓振动 径向振动 厚度振动 能阱振动 声概况波 频 10K 100K 1M 率 10M 100M 1G 4 . 压电材料及其使用 (1)材料 钛酸钡 钛酸铅 钙钛 矿型 锆酸铅 钛锆酸铅 非钙钛矿型: 焦绿石、硫化镉、氧化 锌、氮化铝 (2) 使用 电声器:扬声器、送话筒、 水下通信和探测:水声换能器、鱼群探测器 雷达中的陶瓷概况波器件 通信设备:陶瓷滤波器 细密丈量:压力计 红外手艺:红外热电探测器 高压电源:变压器 压电陶瓷焚烧器 冲击块 V 外 壳 高压引线 垫块 压电陶瓷变压器 ~ V2 ~ V2 输出 输入 伸缩振动 弯曲振动 ~ ~ 剪切振动 应力分布 ○ ○ ○ ○ 应力分布 位移分布 半波模谐振 位移分布 全波模谐振 压电换能器 + 单片陶瓷压电膜 + + + + --- - + + + - - + - + --- - - - + - - - + + + + + - - - + + - + + + + + 双膜片压电振子 + + + + --- - + + + - - - + + ++ + + + - + + - + + - --- - - + - - + - - - 型 - +++++ _____ +++++ _____ V 等效电 双膜片压电振子 + + + + --- - + + + - - + - + --- - - - + - - - + + + + + - + + - -- + + + + - 并联型 +++++ _____ +++++ _____ 压电陶瓷滤波器 1 mV 2 mV 1 2 损耗 fr2 2 f fr1 1 正在频次附近的信号衰 减最小2(2的反谐 振) = fr1(1的谐振) f