功能转换材料

第五章功能转换材料Chapter5Functionalconversionmaterials主要内容：压电材料热释电材料光电材料电光材料磁光材料热电材料声光材料第一节压电材料1880年，P.居里和J.居里兄弟发现：当对石英晶体在某些特定方向上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。一、压电效应1、正压电效应当外加应力T作用于某些单晶或多晶介电体并使它们发生应变S时，介电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化(即带电)或电极化的变化的现象称为正压电效应。2、逆压电效应与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。第五章功能转换材料－§5.1压电材料XY＋＋＋＋＋－－－－－T1T1＋＋＋＋＋－－－－－T2T2石英晶体切片的正压电效应第五章功能转换材料－§5.1压电材料压电效应的机理：－－－+++(a)晶体不受外力作用：①正负电荷的重心重合②晶体的总电矩为零③晶体表面的电荷为零晶体受压缩力或拉伸力作用：①正负电荷的重心不重合②晶体表面产生异号束缚电荷③出现压电效应－－－+++－+－－++(c)+－+－+－－+++－－(b)第五章功能转换材料－§5.1压电材料二、压电材料的主要特性1.弹性模量压电体是弹性体，服从虎克定律。电学条件不同，弹性模量不同。（1）短路弹性模量在外电路的电阻很小，即相当于短路条件下，测得的弹性模量。（2）开路弹性模量在外电路的电阻很大，即相当于开路条件下，测得的弹性模量。2.压电常数反映压电材料中的力学量和电学量之间的耦合关系，表示产生压电效应的大小。pi＝dijkjk(i,j,k=1,2,3)式中，pi为压电材料单位面积上的极化电荷；jk为应力；dijk即压电常数。第五章功能转换材料－§5.1压电材料3.介电常数介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：例如：对于压电陶瓷片，其介电常数为：＝Cd/A式中，C—电容(F)；d—电极距离(m)；A—电极面积(m2)。4.机电耦合系数综合反映压电体的机械能与电能之间的耦合关系。K无量纲，数值越大，压电耦合效应越强。DE＝（逆压电效应）（正压电效应）输入的电能械能由逆压电效应转换的机＝2K输入的机械能能由正压电效应转换的电＝2K第五章功能转换材料－§5.1压电材料三、压电材料1.压电晶体（1）石英(SiO2)晶体结构：三方晶系。特点：①压电效应出现在X、Y轴上，在Z轴上无压电效应。②压电性能稳定，内耗小，但K值不是很大。应用：频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。（2）含氢铁电晶体晶体结构：三方晶系。特点：应变Sx与极化强度Px2呈直线关系。典型材料：磷酸二氢铵(NH4H2PO4，ADP)、磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)、磷酸氢铅(PbHPO4，LHP)、磷酸氘铅(PbDPO4，LDP)。（3）含氧金属酸化物典型材料：钛酸钡(BaTiO3，钙钛矿型结构)、钽酸锂(LiTaO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锂(LiNbO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锶钡(BaxSr1-xNbO6，SBN，钨青铜型结构)。第五章功能转换材料－§5.1压电材料钙钛矿（CaTiO3）晶体结构模型第五章功能转换材料－§5.1压电材料2.压电半导体晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。特点：K值大，并兼有光电导性。应用：换能器。水声换能器：通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应)来完成水下观察、通讯和探测工作。典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。3.压电陶瓷（1）钛酸钡(BaTiO3)陶瓷第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，120C时转变为立方晶相，铁电性消失。（2）锆钛酸铅（Pb(Zr、Ti)O3，PZT）PbTiO3与PbZrO3形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。组成锆钛酸铅的PbTiO3、PbZrO3也是常用的陶瓷压电材料。第五章功能转换材料－§5.1压电材料闪锌矿晶体结构模型纤锌矿晶体结构模型第五章功能转换材料－§5.1压电材料四、压电材料的应用1、微声技术应用水声发射和接受装置——“声纳”。1916年朗之万利用石英晶体制造出“声纳”，用于探测水中物体，至今仍在海军中有重要应用。2、超声技术应用超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器。利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力的应用。3、机械能－电能转换技术应用压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等。利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压。4、信息技术应用压电材料最主要的应用领域。第五章功能转换材料－§5.1压电材料应用类型代表性器件信号发生电信号发生压电振荡器声信号发生送受话器，拾音器，扬声器，蜂鸣器，水声换能器，超声换能器信号发射与接收声纳，超声测声器，超声探测仪，超声厚度计，拾音器，扬声器，传声器信号处理滤波器，鉴频器，放大器，衰减器，延迟线，混频器，卷积器，光调制器，光偏转器，光开关，光倍频器，光混频器信号存储与显示铁电存储器(FRAM，DRAM)，光铁电存储显示器，光折变全息存储器信号检测与控制传感器微音器，应变仪，声纳，压电陀螺，压电加速度表，位移器，压电机械手，助听器，振动器探测器红外探测器，高温计，计数器，防盗报警器，湿敏探测器，气敏探测器计测与控制压电加速度表，压电陀螺，微位移器，压力计，流量计，流速计，风速计，声速计高压弱流电源压电打火机，压电引信，压电变压器，压电电源压电材料在信息技术及其他技术中的主要应用第五章功能转换材料－§5.1压电材料压电材料的研究近况：弛豫型铁电单晶：铌镁酸铅－钛酸铅：(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3－xPbTiO3，PMN-PT。铌锌酸铅－钛酸铅：(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3－xPbTiO3，PZN-PT。弛豫型铁电体具有很高的介电常数和较大的电致伸缩系数。1996年和1997年，Park和Shrout报道了利用熔盐法生长PZN-PT单晶的技术工艺和晶体各种切向晶片的介电、压电和电致伸缩特性，发现当切向为(001)时，晶体具有最佳的性能。例如，组分为0.92PZN-0.08PT的晶体，当按(010)切向时，压电性能：d33＝2500pC·N-1，为锆钛酸铅(PZT)材料的3～6倍；K33＝0.94，为现有压电材料中最高的。世界著名杂志《Science》的评论：这类铁电单晶将是新一代超声换能器和高性能微位移和微驱动器的理想材料。我国也在研制PMN-PT、PZN-PT弛豫铁电单晶，取得重要进展。第五章功能转换材料－§5.1压电材料第二节热释电材料一、热释电效应热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷的现象。热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系：⊿Ps＝p⊿T式中，Ps—自发极化强度；p—热释电系数；T—温度。热释电效应产生的前提条件晶体具有自发极化现象，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。热释电材料与压电材料的比较压电晶体不一定有热释电效应，但热释电晶体一定有压电效应。铁电体都具有热释电效应铁电体：一类具有自发极化，且这种自发极化可以在外电场作用下改变方向的电介质。第五章功能转换材料－§5.2热释电材料铁电材料的极化特性曲线电介质压电体热释电体铁电体电介质、压电体、热释电体和铁电体的关系第五章功能转换材料－§5.2热释电材料二、热释电材料的主要特性1.热释电系数热释电系数表示热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变化的大小。p越大越好。2.优值指数优值指数是热释电材料应用于探测器方面的重要参数。①电流响应优值FiTPpddsc—热释电材料单位体积的热容。cFi=p/常用热释电材料的约为2.5×106J·m-3·K-1。c第五章功能转换材料－§5.2热释电材料②电压响应优值Fv—热释电材料的介电常数。③探测优值Fdtan—热释电材料的电学损耗因子。3.吸热流量代表单位时间吸热的多少。一般要求热释电材料具有大的吸热流量。4.居里点或矫顽场热释电材料有一大类是铁电体，要求有大的矫顽场或高的居里点。cF=p/21)δcFd＝p/(tan第五章功能转换材料－§5.2热释电材料三、热释电材料材料p(10-4Cm-2K-1)r(1kHz)tan(1kHz)(106Jm-3K-1)Fv(m2C-1)Fd(10-5Pa-1/2)TGS(35C)DTGS(40C)ATGSAs(25C)ATGSP(25C)LiTaO3SBN-50①PZ-FN陶瓷②PT陶瓷③PVDF5.55.57.06.22.35.53.83.80.275543323147100290220120.0250.0200.010.010.0050.0030.0030.0110.0152.62.43.22.342.52.52.430.430.600.990.980.170.070.060.080.106.18.316.616.84.97.25.83.30.88一些代表性热释电材料的性能注：①SBN-50是Sr0.5Ba0.5NbO6；②PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3；③PT陶瓷是改性的PbTiO3。c第五章功能转换材料－§5.2热释电材料1.热释电晶体特点：①p值高，性能稳定。②自发极化在外电场作用下不发生转向。典型材料：电气石、CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。2.铁电晶体特点：①p值高，性能稳定。②自发极化在外电场作用下会改变方向。典型材料：（1）硫酸三甘肽(TGS)及其改性材料硫酸三甘肽(TGS)、氘化的TGS(DTGS)、掺丙氨酸并以砷酸根取代部分硫酸根的TGS(ATGSAs)和掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGS(ATGSP)。（2）含氧金属酸化物LiTaO3、LiNiO3、PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、BaTiO3等。第五章功能转换材料－§5.2热释电材料3.热释电陶瓷特点：制备容易，成本低，同时具有良好的热释电性能。典型材料：（1）钛酸铅(PbTiO3)陶瓷居里温度高，p值随温度变化很小，是一种较好的红外探测器材料。（2）锆钛酸铅(PZT)陶瓷用量很大，性能优良。添加Bi2O3的Pb0.96Bi0.04Zr0.92Ti0.08O3陶瓷在室温附近具有较大的p值。（3）锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。4.有机高聚物晶体典型材料：聚偏二氟乙烯(PVDF)。特点：①易于制得大面积的薄膜(6m以下)，且工序少，成本低。②p值较小，电压响应优值较高，介电损耗大，探测优值低。第五章功能转换材料－§5.2热释电材料四、热释电材料的应用1、热释电探测器重要应用：制作室温红外探测器与列阵。原理：当热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变化，由此引起晶体极化状态的改变，从而使垂直于自发极化轴方向的晶体单位表面上的电荷(即Ps值)发生改变。应用领域：防火、防盗、医疗、遥测及军事等方面。2、红外成像系统重要应用：“夜视”装置。原理：物体在黑暗环境中随其温度的变化会发射具有不同强度和波长的红外线。红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波长的红外线，从而产生不同强度的电信号，最后被还原成可视图像。第五章功能转换材料－§5.2热释电材料(a)热释电红外成像焦平面的局部放大，第一像素的面积为19m×16m；(b)用热释电红外成像系统摄取的红外光图像。第五章功能转换材料－§5.2热释电材料第三节光电材料一、光电导材料光电导材料是指具有光电导效应的材料，又称内光电效应材料、光敏材料。光电导材料是制造光电导探测器的重要材