电介质材料-压电热释电铁电介质材料.ppt
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1、第九章 电介质材料,1,电介质材料,电介质:在电场作用下,能建立极化的物质。通常是指电阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。,电介质材料的主要效应:压电性-压电效应热释电性-热释电效应铁电性-自发极化与铁电体,2,压电效应:在晶体上施加压力、张力、切向力时,则发生与应力成比例的介质极化。热释电效应:具有自发极化,晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷,这一现象称为热释电效应铁电效应:具有自发极化,且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征,宏观的表现就是具有电滞回线。,热释电效应与铁电效应的区别两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时,自发极化偶极矩发生
2、变化,即热释电效应;自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向,此即铁电效应。,3,3.1 压电材料,压电陶瓷点火示意图,压电蜂鸣器,4,压电陶瓷因受力形变而产生电的效应,5,压电陶瓷片,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。现象之一: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。现象之二:如在压电陶瓷片的两个电极上施加一定电压,它就会发生弯曲,当电压方向改变时,弯曲方向也随之改变。,6,利用压电
3、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。,7,主要内容,一、概述二、研究史三、基本原理四、性能参数五、典型的压电材料六、应用,8,压电效应:除了电场产生极化外,在某些电介质晶体中,还可以通过纯粹的机械作用(拉压力、压应力或切应力)而发生极化,出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与外力成比例。,一、概述,9,
4、压电效应:正压电效应: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,其值与应力的大小成比例,其符号取决于应力的方向。外力撤掉后,又重新回到不带电的状态。逆压电效应: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,则会产生应变,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。有正压电效应的晶体必然有逆压电效应,正压电常数数与逆压电常数必然相等,且一一对应。,10,压电效应及可逆性,能量的转换,力形变电压 正压电效应,电压形变 逆压电效应,11,压电单晶: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,如水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂等。水晶(-
5、石英)是一种有名的压电晶体。,压电陶瓷:压电陶瓷泛指压电多晶体。如:钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT等。抗酸碱,易制成任意形状。需高压极化处理。,高分子压电材料:如偏聚氟乙烯(PVDF)(薄膜),这类材料材质柔韧,可做极薄的组件,需极高的极化电场,1.无机压电材料,压电材料分类,2.有机压电材料,3.复合压电材料这类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。,12,早在世纪前,锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质,当电气石投入热的灰烬当中时,这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几分钟之后排斥掉它们。十八世纪初,荷兰商人将这种电气石引入欧洲,被称为锡兰磁石。1756年
6、,德国物理学家 Aepinus(电容器发明者)研究电气石产生电的行为,第一次观测到温度改变引起的电极化现象。1824 年,苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电性。1817 年,法国矿物学家 Ren Just Heuy 第一次提到了压电效应。1880 年,法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性:当重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成比例。他们所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O)。,二、压电材料的历史,13,1881年李普曼(G.Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理,推测逆压电效应(Conver
7、se piezoelectric effect)的存在,这一预言很快就被居里兄弟用实验所证实。1916年朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水下发射和接收换能器,这是最早的压电换能器,并用于探测水下的物体。1917年 美国贝尔(Bell)实验室的A.M.Nicolson制成压电拾音器和扬声器,并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。,1918 年 卡迪(Cady)研究了罗息盐晶体在机械谐振频率特有的电性能。1919年用罗息盐制成了电声组件,这为压电材料在通讯技术和频率控制等方面的应用研究奠定了基础。随后罗息盐又在滤波器、换能器和声纳等方面获得了应用。,14,1947 年美国的 Rob
8、erts 发现了钛酸钡(BaTiO3)的压电性,使得多晶材料得到发展。获得压电性所需的极性可以通过暂时施加电场的方法,从一块各项同性的多晶陶瓷得到。采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器,钛酸钡陶瓷的发现是压电材料发展的一个飞跃,至此,压电材料形成了两大类:压电单晶材料及压电陶瓷材料。1969年发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有优良的压电性后,聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。之后,又经过近六十多年的发展,压电材料已经从最初的压电晶体,发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物以及压电陶瓷/聚合物复合材料。,15,压电式发电器装置从环境中吸取机械能,转换成电能驱动微机电系统。早在 1984 年,美
9、国科学家将 PVDF 薄片安置在生物体上,以生物体呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量作为研究基础,将生物体运动时产生的能量转换为电能,驱动外部设备。压电式发电器装置固定在狗肋骨上,利用狗的自然呼吸可产生 18V 电压,能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状,同时设计更适合贴在动物肋骨上的辅助设备,最终测试发现输出能量能够达到1mW。,1996 年,英国科学家试验分析发现发电器装置内部的压电陶瓷发电总量与其变形频率的立方成正比。此发电器装置,在 70Hz 的振动频率下产生1uW 的能量,在振动激励为 330Hz 的情况下产生 0.1mW 能量。,16,1998 年,美国麻省理工大学科学家
10、Kymissis 将压电式发电器装置以不同方式安置入鞋中,收集人行走过程中所丢失的能量。安置压电冲击式装置在鞋后跟处,同时安装一个 PVDF 材料的薄板在鞋子的前鞋底处。测试发现压电式冲击机构产生峰值电能为 80mW,PVDF 材料峰值电能达到 20mW,电磁式机构峰值电能为 20mW。由于外界激励缓慢,PVDF 装置和冲击式压电装置的平均电能都很低,电磁式结构不易实现,安装在鞋子里很困难,并受步伐影响。此研究证明了压电发电装置在自身供能系统中应用的可行性,表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。,17,三、压电转换机理,1.压电单晶的转换机理,晶体存在对称中心,晶体发生形变后仍保持极化强度
11、为零,无压电效应。,由于石英晶体不存在对称中心,当给晶体施加压力时,产生极化后某一方向出现剩余偶极矩。,18,按照晶体的宏观对称性,晶体可分为:七大晶系、32种点群,其中21种点群没有对称中心,其中20种点群具有压电效应。,19,单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。无对称中心并不是产生压电效应的充分条件,即无对称中心的晶体并不能保证都有压电性。产生机理: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偶极矩。,总结:单晶压电效应,20,压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同,未经极化处理的压电陶瓷
12、材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷属于铁电体,人工制造多晶材料,它具有电畴结构在无外电场作用时,各个电畴在晶体上杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,因此原始的压电陶瓷内极化强度为零,见图(a)。,直流电场E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,(a)极化处理前,(b)极化处理中,(c)极化处理后,2.压电多晶转换机理(自发极化),21,电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因?极化后,在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷,由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相
13、等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。,22,如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F,如图,陶瓷片将产生压缩形变(图中虚线),片内的正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小。因此,原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出现放电荷现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程),片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应,就是正压电效应。,正压电效应示意图(实线代表无外力情况,虚线代表加外力的情况),23,24,同样,若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,如图,由于电场的方向与极化强
14、度的方向相同,所以电场的作用使极化强度增大。这时,陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片沿极化方向产生伸长形变(图中虚线)。同理,如果外加电场的方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象,就是逆压电效应。,逆压电效应示意图(实线代表形变前的情况,虚线代表形变后的情况),极化方向,电场方向,压电陶瓷的压电效应,是由于陶瓷内部存在自发极化,这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向排列的结果,即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余极化强度。外界的作用(如压力或电场的作用)使该剩余极化强度发生变化,导致陶瓷出现(充放电或形
15、变)压电效应。在陶瓷中产生的放电或充电现象,是通过陶瓷内部束缚电荷极化强度的变化,引起电极表面上外界自由电荷的释放或补充。,总结:压电陶瓷的压电效应,25,压电效应产生的应变与电场成正比,当电场反向时,应变改变符号,即正向电场使试样伸长,反向电场使试样缩短。电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比,当电场反向时,应变不改变符号,即无论正向电场或反向电场均使试样伸长(缩短)。,逆压电效应电致伸缩,SE2,26,对压电材料特性要求:转换性能。要求机械能与电能转换效率高。机械性能。压电元件作为受力元件,希望它的机械强度高、刚度大,以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介
16、电常数,以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好,要求具有较高的居里点,获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,四、压电材料的性能参数,27,作为介电材料:可用介电系数,介电损耗tg,绝缘电阻率和介电强度Eb等表征。,作为压电材料:极化处理以后才具有压电性,但对外表现为各向异性,也就是说各项性能参数在不同方向上表现为不同的数值。这使得其表征性能的参数比各向同性材料的要多得多。一些参数:压电系数d 压电电压系数g 机电耦合系数k 机械品质因素Qm 频率系数N,28,1、压电系数d:单位机械应力T所产生的极化强度,常用的为横向压电系数
17、d31和纵向压电系数d33(脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向;第二位数字表示机械振动方向)。,d=P/T(C/N),压电常数是力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)间相互耦合的线性响应系数。直接反映了材料压电效应的强弱。越大越好,或:单位电场强度V/x所产生的应变x/x,29,2、压电电压系数g:单位应力T所产生的电场强度E;或单位电荷所产生的形变。(Vm/N),d和g在不同的角度反映了材料的压电性能,d用得较为普遍,g常用于接收型换能器、拾音器,高压发生器等场合。,对于由机械应力而产生电压(如压电传感器)的材料来说,希望具有高的压电电压常数。,30,3、机电耦合系数k 或,机电耦合
18、系数反映了机械能和电能之间的转换程度,它与材料的压电系数、和弹性常数等有关,是一个比较综合的参数。由于转换不可能完全,总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播,因而k总是小于1的。与其形状和振动模式有关,不同振动模式将有相应的机电耦合系数:如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp(平面耦合系数);薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31(横向耦合系数);圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33(纵向耦合系数)等。,31,Kp,K33,Kt,K15,K31,32,4、机械品质因数 Qm 压电陶瓷在振动时,由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量,即产生机械损耗。Qm便是描述这种能量损耗
19、的参数,机械品质因数Qm的定义式是:,机械品质因数的存在表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全部用于输出。机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大,能量消耗越小。,33,5、频率常数N,对给定压电振子,其谐振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数,即频率常数N。只与材料性质相关,这是选择确定压电陶瓷的重要参数。,N=frl,其中:fr为压电振子的谐振频率;l为压电振子振动方向的长度。,薄圆片径向振动,Np=frD,薄板厚度伸缩振动,Nt=frt,细长棒K33振动,N33=frl,薄板切变K15振动,N15=frlt,D为圆片的直径,t为薄板的厚度,l为棒的长度,lt为薄板的厚度
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