第3章压电材料.

第三章压电材料3.1压电效应的机理3.2压电材料的特征值3.3压电材料的种类和应用教学目标及基本要求掌握压电效应的机理、压电材料的特征值。熟悉压电材料的种类和应用。教学重点和教学难点（1）压电效应及其机理（2）压电材料及其特征值（3）机电耦合系数（4）介质损耗第三章压电材料没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例。其符号取决于应力的方向。这种现象称为正压电效应。也就是受力应变产生电场。逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比。其符号取决于电场的方向。此现象称为逆压电效应。也就是电场作用产生应变。具有压电效应的材料叫做压电材料。由此可见，通过压电材料可将机械能和电能相互转换。利用逆压电效应，还发展了一系列电致伸缩材料。3.1压电效应的机理压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。例如石英产生压电效应即是如此，如图3－1所示。图3－1石英压电效应产生的根源（晶体无对称心）由图3－1(b)可见，由于石英晶体不存在对称中心，当给晶体施加压力时，晶体内部将产生极化。由原来P=0的状态，变成有极化强度P的状态，表现为产生一电场。如果晶体存在对称中心的话，即使晶体发生形变后仍保持极化强度为零，就不会产生压电效应（图3－1(a)）。因此，只有那些原胞无对称中心的物质才有可能产生压电效应。晶体共有32个点群，也就是按对称性分为32类。其中20类是非对称中心的，它们可能具有压电效应。但是，无对称中心只是产生压电效应的必要条件，而不是充分条件。因此，只有ADP、KDP和α-石英、罗息盐等少数几种晶体才具有压电效应。所有铁电晶体同时具有压电性，但压电晶体不一定具有铁电性。图3－2压电效应机理示意图晶体的压电效应的本质是因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷。其机理可用图3－2加以解释。图中（a）表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为0，因而晶体表面不荷电。但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电；（b）为晶体在压缩时荷电的情况；（c）是拉伸时的荷电情况。石英压电效应的机理135246SiOXY135246)(B)(A晶片沿y方向压缩1,4离子向中心；6,5,2,3离子向外移动表面A出现负电荷；表面B呈正电荷纵向压电效应α-石英单晶正压电效应晶片沿x方向压缩6,5,2,3离子向内移动同样数值；1,4离子向外移动C和D面不出现电荷；表面A和B呈现电荷横向压电效应α-石英单晶正压电效应)(A)(B246351CD135246SiOXY石英压电效应的机理晶片沿z方向压缩135246SiOXY无压电效应正压电效应本质：外力改变了晶体中的离子原来的相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩.压电晶体：结构上必须是无对称中心,中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应；组成上必须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子.铁电体必具有强压电性，但压电体不一定是铁电体.石英压电效应的机理一、弹性模量二、压电常数三、机电耦合系数四、介电常数五、介电损耗：导电和极化驰豫过程输入的机械能机械能转变的电能kEDCRIICR1tanD：电位移IR：异相电荷分量IC：同相电荷分量W：交变电场角频率C：介质电容R：损耗电阻3.2压电材料的特征值一、弹性模量压电晶体是弹性体，服从于胡克定律：在弹性限度内，应力与应变成正比。对于三斜晶系（21个独立元）、正交晶系（9个独立元）、立方晶系（3个独立元）等不同晶系有不同的弹性模量。压电晶体具有压电效应，因此，在不同电学条件下有不同的弹性模量。在外电路的电阻很小时，即相当于短路条件下测得的，称为短路弹性模量。在外电路的电阻很大时，即相当于开路条件下测得的，称为开路弹性模量。二、压电常数压电常数：极化强度和应变之间的关系常数。当压电材料产生正压电效应时，施加应力将产生额外电荷，发生极化，其极化强度P和应变之间的关系可用压电（应力）常数与沿x、y、z轴的应变和切应变的方程来表示，其中18个系数eik被称为压电（应力）常数。其极化强度和应力的关系可用压电（应变）常数与沿x、y、z轴的应力和切应力的方程来表示表示，其中18个系数dik被称为压电（应变）系数。压电常数eik和压电系数dik都是压电效应的重要特征值。逆压电效应与电致伸缩效应不同。电致伸缩效应是指在外电场作用下，任何电介质都会发生尺寸变化，即产生应变，是液、固、气电介质一般都具有的性质。而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体中。此外，电致伸缩效应的形变与电场方向无关，与电场强度的平方成正比，而逆压电效应的形变是随电场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。对于国际单位制有PED0ε0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。它和极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表达式中的P均可换为D。三、机电耦合系数机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的一个很重要参数。通过测量机电耦合常数可以确定弹性、介电、压电等参量，即使介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为：k=机械能转变的电能/输入的机械能（正压电效应）k=电能转变的机械能/输入的电能（逆压电效应）机电耦合系数k是一个无量纲的物理量，是压电材料机械能和电能相互转换能力的量度。它并不代表转换效率，因为它没有考虑能量损失，是在理想情况下，以弹性能或介电能的存储方式进行转换的能量大小。四、介电常数介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质），通常用ε表示，单位是F/m。当压电材料的电行为用电场强度E和电位移D作变量来描述时，则有：D=εE或ε=D/E有时也使用相对介电常数εr（反映电介质极化的能力），它与介电常数的关系为ε/ε0，ε0为8.85×10-12F/m，相对介电常数是无量纲的物理量。对于压电陶瓷片，可用下式计算介电常数：ε=Cd/A式中：C为电容（F）；d为电极距离（m）；A为电极面积（m2）。五、介质损耗电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括：①由样品的几何电容的充电所造成的电流；②由各种介质极化的建立所造成的电流；③由介质的电导（漏电）造成的电流。第一种电流简称电容电流，不损耗电流；第二种电流引起的损耗称为极化损耗；第三种电流引起的损耗称为电导损耗。极化损耗主要与极化的驰豫（松弛）过程有关。图3－3介质的驰豫过程介质在交变电场中通常发生驰豫现象。在一个实际介质的样品上突然加上一电场，所产生的极化过程不是瞬时的，见图3－3。P0代表瞬时建立的极化（位移极化），P1代表松弛极化，P1(t)渐渐达到一稳定值。这一滞后通常是由偶极子极化和空间电荷极化所致。在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状态的过程叫介质驰豫。图3－4交流电路中电流电压矢量图在交变电场下，压电材料所积累的电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），即由电导过程引起，即电导损耗（IC）；另一种为无功部分（异相），即由介质驰豫过程引起，即极化损耗（IR）。介质损耗为异相分量与同相分量的比值，通常用tanδ表示，如图3－4所示。tanδ=IR/IC=1/ωCR式中：ω为交变电场的角频率；C为介质电容；R为损耗电阻。tanδ与压电材料中能量损耗成正比，因此也往往就把tanδ叫做损耗因子，或直接叫做介质损耗。3.3压电材料的种类和应用一、压电材料的种类（一）晶体在无中心对称的21种类型中有20种有压电效应。这些压电晶体性能稳定，内耗小。（二）半导体常用的有Ⅱ—Ⅵ族化合物和Ⅲ—Ⅴ族化合物。最常用的为CdS、CdSe、ZnO，其k大兼有光电导性。（三）陶瓷多晶压电材料陶瓷多晶压电材料比晶体便宜但易老化，典型的有钛酸钡陶瓷和锆钛酸铅陶瓷。（四）高分子压电材料二、压电材料的应用和发展趋势压电材料已广泛应用于电子学和传感器领域。石英、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅等用得最多。压电材料的发展趋势为：①研究压电材料的结构和性能的关系。②研究各向异性压电陶瓷。③研究特优性能的压电材料。④研究耐高温高压压电材料。⑤研究复合压电材料及其应用。⑥研究新型压电高聚物。⑦研究开发生物压电高分子，探索制作分子压电器件的可能性。MLCC（多层陶瓷电容器）：是世界上用量最大、发展最快的片式元件品种。主要用于电子整机中的振荡、耦合、滤波、旁路等，是移动通讯、卫星导航、全球定位(GPS)、军事雷达等领域必不可少的设备，在军用及民用产品中具有十分重要的地位。MLCC的介质材料主要为BaTiO3。MLCC样品MLCC通过多层介质陶瓷并联而成：dSnCs0C与介质层数及介质材料的介电常数成正比,与介质层厚度成反比增大层数、使用高介电常数介质材料及减小介质层的厚度，可以获得大电容量C。但不能一味的增大层数，因为现代通讯设备向小型化发展，故在适当增大层数的同时，应考虑提高材料介电常数，减小材料颗粒大小,即多层化和薄层化（小型化，每层为0.6μm）。温度特性：对温度依赖性要小；居里温度：居里温度向低温漂移有利于获得高介电常数。介质层越薄,MLCC电击穿强度越大.对于高压MLCC要求其电击穿强度在5000V以上。适合MLCC的介质材料纳米四方相钛酸钡是适合MLCC的最佳介质材料：(1)提高BaTiO3的介电常数：纳米尺寸且为四方相（铁电相）时，BaTiO3介电常数更高；(2)减小介质层厚度:纳米四方相钛酸钡既可以提高MLCC的电容量，又可以提高抗击穿强度。BT粉体粘结剂溶剂浆体流延电极印刷层叠热压切割脱胶高温烧结接电极检测产品MLCC的制造工艺MLCC用Nano-BaTiO3关键技术问题MLCC用纳米钛酸钡粉体关键技术问题有如下几个方面：1）纳米四方相2）团聚3）流延浆料的分散性及稳定性4）烧结问题