介电和铁电基础及应用汇总课件.ppt

铁电性基础Basics of Ferroelectrics,什么是铁电体，开关特性，Sawyer-Tower 电路铁电体主要特征典型的铁电材料的主要物理性质铁电材料的分类，反铁电体,基本定义,具有自发极化强度（Ps）Spontaneous Polarization自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps,Note:,铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛格涅特电性”（Seignett-electricity）或“罗息尔电性”（Rochell-electricity）。因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。,主要特征,电滞回线hysteresis loop居里温度Curie temperature Tc介电反常Dielectric anomalous,电滞回线 hysteresis loop,自发极化Ps剩余极化Pr矫顽电场Ec,Sawyer-Tower 电路,电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。 极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴。所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化强度的取向间存在着简单的关系。,居里温度 （ Tc,c）,当晶体从高温降温经过c时，要经过一个从非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于c时，晶体不具有铁电性，温度低于c时，晶体呈现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。,介电反常：临界特征,铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等在居里点附近都要出现反常现象，其中研究的最充分的是“介电反常”。因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常数，实际测量介电常数时外加电场很小。大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很大的数值，其数量级可达，104-105，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。,居里-外斯定律Curie-Weiss law,当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律：式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度；0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。,几种典型铁电体的性质,BaTiO3，钛酸钡 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O64H2O,Spontaneous polarization of BaTiO3,Dielectric constant of BaTiO3,钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系,KDP晶体的自发极化强度与温度的关系,KDP晶体的介电常数与温度的关系,KDP的定压比热与温度的关系,KDP晶体的压电常数d36与温度的关系,TGS晶体的自发极化强度与温度的关系,TGS晶体的起始介电常数与温度的关系,TGS的定压比热与温度的关系,罗息盐晶体的自发极化强度与温度的关系,罗息盐晶体的介电常数与温度的关系,RS晶体的弹性柔顺常数S44与温度的关系,铁电晶体的分类,至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中。它们的自发极化强度从10-4C/m2到1C/m2，它们的居里点有的低到-261.5C（酒石酸铊锂），有的高于1500C。表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里点和自发极化强度。对于晶格结构和特性差异如此之大的各种铁电体，要对它们做完善的统一分类是不容易的。到目前为止，对铁电晶体的分类法有许多种，其中常用的有以下几种,单轴铁电体，多轴铁电体,根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体（在非铁电相时这些晶轴是等效的），如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类方法便于研究铁电畴。,对称中心,根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体结构不具有对称中心，因而有压电效应。如钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类铁电体，其顺电相的晶格结构具有对称中心，因而不具有压电效应，如钛酸钡、铌酸钾以及它们的同类型晶体。这种分类方法便于铁电相变的热力学处理。,成分和结构,根据晶体成分和结构特征，可把铁电晶体分成两类。一类是含有氢键的晶体，如KDP族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶解温度低，常称“软”铁电体。另一类是双氧化物晶体，如钛酸钡、铌酸锂等晶体。它们的特点是不溶于水、力学性质硬、居里点温度高、溶解温度高，常称为“硬”铁电体。,按居里-外斯常数的大小分类（参照图6-4），这种分类法有利于研究铁电体的相变机制。居里-外斯常数C 大约在105数量级的为第一类。这类铁电体的微观相变机制属于位移型，它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电体。近来发现的SbSI是这一类中的唯一例外，它不是氧化物。,居里-外斯常数C 大约在103数量级的为第二类，这类铁电体的微观相变机制属于有序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐和NaNO2等。C数量级大约在10的为第三类铁电晶体，属于这一类的典型晶体是(NH4)2Cd2(SO4)3。这类铁电体的相变机制目前尚未详细研究，也无专门的名称。,图6-4：铁电体按居里-外斯常数分类表,量子顺电体 Quantum Paraelectrics,先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics代表性材料：SrTiO3， 其它有： CaTiO3 ， KTaO3主要特点：介电常数随温度减低而增大，在低温区出现一个平台，整个温度区间没有铁电性。有出现铁电性的先兆；可能是量子起伏造成低温区不出现铁电性。,K A Muller, Jpn J Appl Phys 24 (1985) 24-2, pp.89-93Quantum Para- , Ferro-, and Random Electric Behaviors in Oxide Perovskites,铁电弛豫体 ferroelectric relaxor,相变不是发生于一个温度点，而是发生于一个温度区间，因而电容率特性不显示尖锐的峰，而呈现出相当宽的平缓的峰电容率呈现极大值的温度随测量频率的升高而升高电容率虚部呈现峰值的温度低于实部呈现峰值的温度，而且测量频率越高，峰值差别越大,电容率于温度的关系不符合居里-外斯定律，而可表示为类居里-外斯定律即使顺电相具有对称中心，在以上相当高的温度仍可观测到压电性和二次谐波发生等效应；有场致相变，在一定的电场强度下会出现铁电相；有很大的电致伸缩系数，而且无明显滞后效应。,典型材料：铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，铌锌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 ，B-位复合钙钛矿结构（complex perovskite）钛酸铋钠 (Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位复合钙钛矿结构其它材料：钨青铜结构(tungsten bronze),Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 4684,铁电聚合物 ferroelectric polymers,聚偏氟乙烯（Polyvinyleden fluoride），PVDF，PVF2，分子式 -(CH2CF2)n-柔软，经济；相拉伸后 - 相，铁电性压电性弱与三氟乙烯共聚-(CHCF3)n-，PVDF-TrFE，无需拉伸具有压电铁电性高能电子辐照，电致伸缩性能明显提高,反铁电体 Antiferroelectrics,反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数（或极化率）与温度的关系为：在相变温度以下，介电常数很小，一般数量级为10-102；在相变温度时，介电常数出现峰值，一般数量级为几千。在相变温度以上，介电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。,x-射线分析表明，在相变温度以下，反铁电体中存在超结构线（即附加的衍射线）。这种超结构表示反铁电体中，晶体结构是由两种子晶格交错而成的，而子晶格之间沿相反方向极化。 反铁电体的例子：磷酸二氢铵（NH4H2PO4） ，锆酸铅（PbZrO3）,PbZrO3反铁电体相晶格结构示意图,反铁电体锆酸铅的介电常数与温度的关系,电场对反铁电体的作用 ：铁电体和反铁电体常常是同型体，此外还观察到了铁电态与反铁电态之间的转变。这表明铁电态的自由能和反铁电态的自由能可以非常接近（特别是在PbZrO3型和WO3型结构中）。直流电场的作用肯定有利于铁电态而不利于反铁电态。现以PbZrO3反铁电体说明如下。,反铁电体锆酸铅的电滞回线以及临界电场与温度的关系,铁性体 ferroics,铁磁体：铁磁、反铁磁、亚铁磁、抗铁磁铁电体：铁电、反铁电铁弹体：铁弹、反弹电,summary,ferroelectrics：spontaneous polarization, and switchable under external fieldfeatures：hysteresis loop，Curie temperature，critical phenomenonTypical ferroelectrics：BaTiO3， KH2PO4Displacive and order-disorder type of ferroelectrics, uniaxial and multiaxialQuantum papelectrics，relaxor，polymer，antiferroelectrics,Assignments,什么是自发极化强度？剩余极化强度？矫顽电场？为什么铁电材料只分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中？常见的铁电晶体的分类有哪些？什么是反铁电体？电滞回线与铁电体有什么不同？,第六节 压电材料-1,正压电效应：材料受到应力作用而处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，表面出现感应电荷。,逆压电效应：材料受到电场力作用产生电极化时，材料会产生应变。,一、正压电效应和逆压电效应,二、压电效应的机制,无对称中心的晶体中正负离子的位移引起压电效应,具有反演对称中心的晶体无压电效应,无反演对称中心的石英晶体有压电效应,第六节 压电材料-2,压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子,+,第六节 压电材料-3,三、压电材料主要工程参数,1、机械品质因素,压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种晶片称压电振子。,压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：,Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；W为每振动周期内单位体积损耗的机械能,Qm与振动模式有关，如压电振子的形状、振动的晶体学方向、振动频率等,第六节 压电材料-4,四、压电材料种类,2、机电耦合系数,或,科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上,晶体：石英、铌酸锂(LiNbO3)、碘酸锂等,半导体：CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs, GaSb等,压电陶瓷：BaTiO3, PbTiO3,第六节 压电材料-5,五、压电材料的应用举例,1、水声换能器,水中声纳=空中雷达,2、压电超声换能器,利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等,实现水中电能与声能的相互转化,3、压电点火器,压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、炮弹，及用于压电高压发生器。,4、石英电子表,其他：拾音器、蜂鸣器、流量计、计数器等,第七节 热释电材料-1,一、热释电效应,晶体因温度变化而引起晶体表面电荷的现象称为热释电效应,二、热释电效应机制,电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛子筛洒加热后的电气石，它们将分别覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。,温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移,电气石是一种具有固有极化的晶体,具有自发极化，即晶体结构的某些方向正负电荷重心不重合。不存在对称中心，且存在与其他极化轴不同的唯一极化轴,石英晶体不产生热释电效应示意图,晶体中存在热释电效应的前提,第七节 热释电材料-2,三、热释电材料,1、晶体,2、 有机高聚物晶体,热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4H2O, ZnO,铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等,特点：自发极化不能为外电场转向,特点：自发极化能为外电场转向,例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄膜,四、热释电材料的应用,1938年首先用于红外探测器,030923,第七节 热释电材料-3,红外探测器原理：,Q表示晶体表面的电荷面密度，P为自发极化强度，T为温度，则,设两极板面积为A，负载电阻为R，则热释电电压为：,Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-410-6C/(cm2K),通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。,热释电红外探测器原理,尽你所能，想出或查出检测极化电荷分布的方式,第八节 热电材料-1,一、热电效应,两种不同的导体构成闭合回路，若使其结点出现温度差，则闭合回路中就会有电流流动，此现象为热电效应，相应的电势称为热电势。,热电材料：把热能转变为电能的材料,1、塞贝克（Seebeck）效应,T0,第八节 热电材料-2,即，若T1T2时，电流由a点流向b点，称A的电势A大于B的电势B。 设VAB=A-B； T=T2-T1，则实验证明，T不太大时，有,VAB 与T,均质导体定律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变,基本规律：,定量描述：,规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。,第八节 热电材料-3,一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：,Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi,例：若T1T2, 电流逆时针流动；反之，顺时针流动,称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数,定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ：,则：VAB=SABT,若温度差较大，一般有：,第八节 热电材料-4,2、珀尔贴（Peltier）效应,两种材料的接触点通以电流时，会产生吸热或放热现象。,基本规律：,电流反向时，吸热或放热特性也改变；单位时间内产生的热量与通过的电流成正比：,珀尔贴热QP与焦耳热QJ的区分：,QP+QJ,（QP+QJ）- （-QP+QJ）=2QP,-QP+QJ,（QP+QJ）+（-QP+QJ）=2QJ,第八节 热电材料-5,3、汤姆逊（Thomson）效应,具有温度梯度的一段均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象,单位时间内单位长度导体所吸收或放出的热量与通过的电流I成正比，与导体中的温度梯度dT/dx成正比,电流方向改变时，吸放热特性也改变,说明：汤姆逊效应发生在同一导体上；也是一种可逆的热效应，容易与焦耳热区分开。,基本特征：,第八节 热电材料-6,二、热电效应的产生机理：,1、温度引起热电子由热端向冷瑞迁移，建立内电场，从而形成温差电动势,定义热电势系数S：,dV为温差为dT时导体两端建立的电位差,S与材料性质、微结构及其温度有关,塞贝克系数S本质上就是热电势系数,2、不同金属的温差电动势的叠加构成闭合回路的净的热电动势,第八节 热电材料-7,一般半导体的热电势系数最大,铂和铂铑合金的热电势系数,温度参考点是273K，0.1MPa,第八节 热电材料-8,三、热电材料的应用,1、测温:热电偶,接触电动势和温差电动势共同构成两种材料构成的闭合回路的电动势,第八节 热电材料-10,3、致冷：利用珀尔贴效应,2、温差发电：塞贝克效应,高山、太空、月球等用电,第二章 光学材料,第一节 光与固体的相互作用-1,一、光的本质,光的波粒二象性：,电磁波谱：,二、光与固体的作用,作用的本质：光是一种电磁波，光与固体的作用就是固体中的带电粒子或磁性粒子在电磁场作用的表现出来的行为。实际上主要表现为与电子的相互作用,可见光：390nm770nm,第一节 光与固体的相互作用-2,电子的两种响应行为：,电子极化：电磁波对电子运动产生微扰,电子能态跃迁：电子吸收整个光子能量，使得状态显著改变,1、金属材料,由于自由电子的存在，金属对所有的低频电磁波（从无线电波到紫外光）者是不透明的，只有对高频电磁波X射线和射线才透明（为什么？）,金属吸收光子后能态的变化,第一节 光与固体的相互作用-3,金属的高反射率的应用：反光镜,能量的释放形式：反射光和热能,金属的颜色不是由吸收光的波长决定，而是由反射光的波长决定,金属的色泽：,金为黄色：光谱红端吸收和反射都最强，紫端透射最多。金泊的射光呈淡绿色,第一节 光与固体的相互作用-4,2、非金属材料,非金属材料对可见光吸收的三种机理,电子极化：当光的频率与电子极化时间的倒数相近时才显著价带电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级价带电子或禁带中杂质或缺陷能级上的电子吸收光子而越过禁带进入导带,非金属材料的透光性：,理想无缺陷的单晶体：,可见光光子的能量范围约为：1.8eV3.1eV。因此禁带宽度小于1.8eV的半导体材料是不透明的，大于3.1eV是透明的，在这之间是半透明的,有晶界和缺陷的非金属材料：即使禁带较宽，也可能不透明,能量的释放形式：光子或声子形式释放,第一节 光与固体的相互作用-5,颜色：人类的视觉系统对特定频率的可见光的一种感觉颜色的合成：糊涂的视觉系统大多数颜色可以由三种基本颜色以适当比例合成，三种基色可以任意选定。一般选红、绿、蓝三种为基色。例：红+黄=橙色红+蓝=紫色类似地，从白色光中去掉特定频段的光后会呈现特定的颜色。例：白光除去红色光后呈淡蓝色。,附：人眼感知的物质颜色,思考：把各种不同颜色的颜料混合得到什么颜色？,物质的颜色：物体反射或发射特定频率的可见光,第二节材料发色/光的机理-1,1、原子激发和分子振动,a原子中电子的激发跃迁。,例：当燃烧物质中含Na原子，火焰呈黄色：Na从激发态返回基态时，发出波长为589.6nm、589.0nm的黄光,应用：原子发射光谱、焰火,一般固体热辐射的颜色与温度关系：,第二节材料发色/光的机理-2,水或冰的振动吸收主峰在红外区域，近可见光区域也有少量吸收。故纯水、冰呈淡蓝色。Cl2蒸气为绿色，I2蒸气为紫色,b分子振动和转动,在化合物中，过渡金属离子处于周围其它离子产生的配位场中。由于配位的几何形式不同，配位场强弱不同。d轨道或f轨道中能级分离状况和电子排布不同，电子在能级间跃迁产生的颜色就有差别。即同一元素的原子在不同配位体中产生不同颜色。,2、过渡金属原子的能级在配位场中的变化,无机化合物中色彩绚丽的矿石、宝石、涂料，许多都是过渡金属化合物形成的。,第二节材料发色/光的机理-4,例一：Cr2O3呈绿色，刚玉Al2O3无色把少量Cr2O3掺入Al2O3中，由于结构相似，Cr3+会取代部分Al3+。虽然周围6个O2-配位不变，但Al3+比Cr3+略小，配位场强弱产生变化，呈红色。即红宝石Al2O3:Cr3+,有机共轭分子中的离域键：最高占据能级与最低空轨道之间跃迁在可见光区,例二：CuSO45H2O呈蓝色，CuSO4为无色，因为Cu2+的配位场不同,3、共轭效应和有机染料,有机染料和带色的有机化合物都是由离域键引起的。应用：服装、印刷品、食用色素,最古老的有机染料-靛蓝,第二节材料发色/光的机理-5,磁铁矿Fe3O4：Fe2+Fe3+O4；Fe2+、Fe3+的配位环境也不同，记为I、IIFe2+(I)+Fe3+(II)Fe3+(I)+Fe2+(II)价电子的这种电子转移产生光吸收和发射,4、电荷转移效应和颜料,例：Al2O3:Fe2+,Ti4+（蓝宝石），约0.1%Al3+被Fe2+和Ti4+置换。晶体结构中相邻的Fe2+与Ti4+相距265pm，dz2轨道重叠；在白光作用下，电子从一个离子跑到另一个离子：Fe2+Ti4+Fe3+Ti3+；E=E2-E1=2.11eV（右边能量大于左边）这种过程称为光化学的氧化还原作用。吸收谱谱带中心位于588nm（黄色）。实验表明，除蓝色和蓝紫色外，其它颜色的光都被吸收。,同素异价离子化合物：同一化合物中，同一元素的离子存在不同价态,许多矿物颜色：Fe2+Si4+的电荷转移,第二节材料发色/光的机理-6,金属低透过率高反射率：能级密集，全吸收；颜色，能态密度不均匀。例，金为黄色；红宝石玻璃呈红色金刚石：能隙5.4eV，透明，渗少量N，2.2eV，呈黄色,a光致变色材料1)无机光致变色材料玻璃中含Ag盐和Cu盐混合物：Ag+Cu+Ag+Cu2+2)有机光致变色材料产生化学键裂解、互变异构,5、电子在固体能带间跃迁,6、其他变色材料发色机理,物质受外界光、电、热、机械力等因素影响后，可发生颜色变化，称变色材料。,制作防伪商标,第二节材料发色/光的机理-7,例：无色的有机物A在紫光作用下变成橙色的B,例：碘汞铜Cu2HgI4随温度可以可逆地改变颜色机理：热运动引起离子位置变化，产生有序-无序转变,b热致变色：热运动引起配位构型变化,例：Co(NH3)5ClCl2加热时颜色改变，不过逆。保留最高温度时的颜色,RT70160220 红色 黑色 红色 深红色,第二节材料发色/光的机理-8,几乎都是过渡金属氧化物体系，如WO3体系。充放电过程中发生氧化和还原，离子出现多价态而显色。应用：电调光玻璃,应用：1)连续运转部件的温度测量；例电机表面显示温升。 2)表面温度分布,c电致变色,在外加电场作用下能发生颜色的可逆改变,Cr2O3 60% Al2O3 40%，加压，灰色红色SmS：RT(黑色);6.5108Pa,V12%,Sm2+Sm3+,黑色变为金色,d压致变色材料：压力增加配位场强度,第五节 介电和铁电材料-12,四、反铁电材料（反铁电体）,一般是离子晶体，电畴内存在两套极化强度相等、方向相反的亚晶格，使得宏观不显自发极化,双电滞回线：,AB：反铁电体特征，类似于一般的线性介质BC、CD：铁电体特征，出现固有电极化强度,五、介电铁电材料的应用,电容器，铁电材料可用于高容量电容器：电子线路中用于阻断、耦合、交直流分离、滤波和能量存贮等,第六讲 压电陶瓷应用,上节课内容?,某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态， 机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。,一、压电效应,二、压电材料的压电常数 石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，在三维直角坐标系内的力 电作用状态如图所示：,F1F3分别为沿 x、y、z 轴的正应力（或应力分量）， F4F6分别为绕 x、y、z轴的切向应力， 13分别是 x、y、z 表面由于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为：,1.物理机制 石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。,三、压电效应的物理机制,压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。, 两种压电材料的特点 石英晶体：居里点温度高（高达573），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。,3.常用压电材料 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。 压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。,图石英晶体的外形(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形 m柱面；R大棱面；r小棱面；s棱界面；x棱角面,原理和应用,压电陶瓷片，也是一种发声元件，它利用压电效应工作，既可以作发声元件又可以作接收声音的元件。而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是它。压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一层厚约1mm的压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它的两个电极。压电陶瓷有一个奇妙的特性压电效应：如将它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性也会相反。奇妙的是如果在压电陶瓷片的两个电极上施加一定的电压，它就会发生弯曲，当电压方向改变时，弯曲的方向也随之改变。,利用压电效应，有了一种声-电，电-声转换的两用器件，可以当话筒用：对压电陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电压输出。相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时候，它又成了喇叭。,继续:日常应用,钟表应用等效电路 压电传感器的基片结构如图，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。,根据高频电子线路的知识我们知道，石英晶体的交流等效回路是LCR电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率S 和并联谐振频率P 。当S 时阻抗特性为容性； S P 时阻抗特性为感性，S P (工作区间)很窄。常用的压电材料的弹性模量较大，惯性质量较小，所以固有频率较高，频响特性较好。但由于输出阻抗太高，所以对测量电路要求也很高。,电子钟表的工作原理,是根据“电生磁、磁生电”的物理现象设计而成。即由电能转换为磁能，再由磁能转换为机械能，带动时分针运转，达到计时目的。 1、晶体管摆轮钟 以干电池为能源，用晶体管作为开关，摆轮游丝为振荡系统，统一机芯为J1型，外形与普通闹钟一样。 2、晶体闹钟 与晶体管摆轮钟一样性能，加上一个由电能供给的闹时装置。 3、晶体管摆钟 用电子电路控制摆作为振荡元件，外形与机械摆钟相似。 4、石英钟 用“石英晶体”作为振荡器，通过电子分频去控制马达运转，带动指针。走时精度很高。品种有台钟、挂钟、日历钟、闹钟、音乐钟、落地钟，也有汽车钟、舰船钟、天文钟等各种技术用钟。 5、数显钟 也用石英晶体作为振荡器，直接用发光管或液晶显示时间，不用机械传动。具有时、分、秒、日历、周历、月历等多种功能。 6、电子表 以电池为能源代替发条，不用手上弦，有多种结构，外形同机械手表，统称电子手表。,电子表分为四代,第一代是摆轮游丝电子手表，是以摆轮游丝作为振荡器，以微型电池为能源，通过电子线路驱动摆轮工作。 第二代是音叉电子手表，是以金属音叉作为振荡器，用电子线路输出脉冲电流，使机械音叉振动。 第三代是指针式石英电子手表，是利用石英谐振器作为振荡器，通过电子分频器后驱动步进马达带动轮系和指针。 第四代是数字式石英电子表，它也是采用石英谐振器作为振荡器，不同的是它经过分频、计数和译码后利用显示器件以数字的形式来显示时间。 前三代电子手表均带有传统的机械指针机构，而第四代采用大规模集成电路，完全脱离了传统的机械结构的全电子手表。,继续:超声设备,超声设备,超声波加工装置及原理录象,单相驱动超声旋转马达录象,继续:超声波与换能器,换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件,超声传感器,超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭,停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号,定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后,就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后,定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间,是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值,可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行,超声波是一种频率高于人的可听声波频率范围的声波。（频率高于20000 Hz ）,人类听不出超声波，但不少动物却有此本领（如蝙蝠）。,声纳 人们利用超声波定向性好，在水中传播距离远特点制成声纳，可以发现潜艇和鱼群，还可以测绘海底形状。,超声波诊断仪超声波可以成像。医院利用 B 型超声波诊断仪做胃部、腹部检查，还可以观察胎儿的发育情况。,超声波仪器,超声波速度测定器 利用超声波的多普勒效应制成速度测定器，交警在高速公路上测定车辆的速度。,超声波清洗器 超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们制成超声波清洗器。,超声波焊接器超声波还能使塑料膜之间摩擦生热，粘合在一起，制成超声波焊接器。,超声波手枪（15-30千赫）,可以击碎结石和体内脂肪的声学振荡器,这是一种无形的振荡器，可用以击碎肾结石和胆结石。声波就这样进入到我们的体内，粉碎结石，使我们痊愈。,超声无损探伤,人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。,路轨断裂事故,图A是超声波在试块中传播的示意图。图B为示波器接收得到的超声波信号。S称为始波，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，也是发射超声波始波的初始时刻，B1称为试块的1次底面回波， t1是超声波传播到试块底面，又发射回来，被同一个探头接收的时刻。因此， t1对应于超声波在试块内往复传播的时间； B2 称为试块的2次底面回波，它对应超声波在试块内往复传播到,图A 脉冲超声波在试块中的传播,图B 直探头延迟的测量,试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。,超声波检测仪(a)、 (b)、 (c) 数字式超声检测仪； (d) 探伤小车,各种探头 (a) 纵波直探头； (b) 横波斜探头； (c) 双晶探头,复合材料的C扫描图,CT探伤成像,（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,A型超声波探伤,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,钢轨探伤车,滑板式探头,高速钢轨探伤车,铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）,铁路钢轨探头,铁路钢轨对接焊缝探测用探头,缺陷,铁路钢轨探伤用滑板式探头,焊缝,管道环焊缝超声波检测装置,管道环焊缝超声波检测装置原理,超声探伤仪,构件的超声探伤,构件的超声探伤,构件的超声探伤,探头回波脉冲形状和频谱包络,超声探伤的计算,设：显示器的x轴为10s/ div (格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。 求：1）t 及tF ； 2）钢板的厚度 及缺陷与表面的距离xF 。,相关录象,继续,压电材料的应用,压电陶瓷点火器,这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开创利用钛酸钡（BaTiO3 ）陶瓷的压电效应进行点火，但这种材料着火率不高，噪音大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日常生活、工业生产以及军事方面，用以点燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。,点火器工作过程分高压产生、放电点火和点燃可燃气体三个阶段。高压产生以圆柱形压电陶瓷元件为例，如图5-2所示。当机械力F作用于圆柱体时，晶体发生畸变，导致晶体中正负电荷中心偏移，从而在圆柱体上下表面出现自由电荷大量积聚，产生高压输出。放电点火把压电陶瓷元件放在一个闭合回路中，并留一个适当间隙，当电压升高到该间隙的放电电压时，间隙中就产生放电火花。,（2）点火器结构和工作原理点火器种类繁多，现以家用压电点火器为例说明它的结构和工作原理。 如图所示的点火器，可固定在家用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电元件两端产生高压，并从中间电极5输出高压，产生电火花点燃气体。,在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以见到它的踪影。,压电变压器,从五十年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低（只有5060倍）。输出电压3000伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到300500倍,逐步推广应用于电视机 、静电复印机、负离子发生器中做为高压电源。 （1）基本原理输入压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压原理。,压电变压器基本原理,(2) 压电变压器的应用压电变压器主要用于高压、低功率和正弦波变换的情况，具有输出电压高，重量轻，体积小，无泄漏磁场、不燃烧等独特优点。为了获得多个电压输出，根据横纵变压器的输出电压与长度成正比，越靠近发电部分端头，电压越高，我们可在发电部分的不同位置制作电极作为抽头，从而获得不同的电压输出。,（4） 压电陶瓷风扇 利用压电陶瓷的逆压电效应可制成小型的压电陶瓷风扇，具有体积小，不会发热，无嘈声、低功耗、寿命长等优点。图5-9是一个压电陶瓷弯曲变形器，它由两片压电陶瓷片夹一金属薄片构成，陶瓷片在外电场作用下产生伸缩运动。若两片陶瓷片加反向电压，则一边收缩另一边伸长，使金属片弯曲变形，若外加交变电压，金属片将作周期性振动。 压电陶瓷风扇是由两个弯曲变形器组成，如图5-10，接通交流电源后，两叶片就按箭头方向做往复振动、产生的风量可达0.42立方米/分钟。,压电陶瓷在计测仪器上有广泛的应用，这里介绍压电加速度计。图5-11是压电陶瓷加速度计的示意图。当被测物体加速度运动时，放在上面的质量为m 的质量块夹在中间的压电陶瓷片产生压力F，由