介电铁电陶瓷课件

第第2章章 介电铁电陶瓷介电铁电陶瓷uu2.1 概述概述uu2.2 陶瓷的极化陶瓷的极化uu2.3 介电陶瓷材料介电陶瓷材料uu2.4 铁电陶瓷材料铁电陶瓷材料uu2.5 压电及热释电陶瓷压电及热释电陶瓷主要内容主要内容介电体介电体压电体压电体热电体热电体铁电体铁电体2.1 概述概述uu介电材料和绝缘材料介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可是电子和电气工程中不可是电子和电气工程中不可是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能。这缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能。这缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能。这缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能。这一类材料总称为电介质。一类材料总称为电介质。一类材料总称为电介质。一类材料总称为电介质。uu电介质极化电介质极化:电导率很低的材料，在电场作用下电导率很低的材料，在电场作用下电导率很低的材料，在电场作用下电导率很低的材料，在电场作用下会沿电场方向产生会沿电场方向产生会沿电场方向产生会沿电场方向产生电偶极矩电偶极矩电偶极矩电偶极矩，在靠近电极的材料表，在靠近电极的材料表，在靠近电极的材料表，在靠近电极的材料表面会产生束缚电荷，这种材料成为介电体或电介质，面会产生束缚电荷，这种材料成为介电体或电介质，面会产生束缚电荷，这种材料成为介电体或电介质，面会产生束缚电荷，这种材料成为介电体或电介质，这种现象称为电介质的极化这种现象称为电介质的极化这种现象称为电介质的极化这种现象称为电介质的极化。2.1 概述概述uu介电陶瓷介电陶瓷介电陶瓷介电陶瓷指电阻率指电阻率指电阻率指电阻率101010108 8 8 8 m m m m的陶瓷材料，能承受的陶瓷材料，能承受的陶瓷材料，能承受的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。较强的电场而不被击穿。较强的电场而不被击穿。较强的电场而不被击穿。介电材料主要是通过控制介电材料主要是通过控制介电材料主要是通过控制介电材料主要是通过控制介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷uu按其在电场中的极化特性，可分为按其在电场中的极化特性，可分为按其在电场中的极化特性，可分为按其在电场中的极化特性，可分为:电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷电容器陶瓷电容器陶瓷电容器陶瓷电容器陶瓷后来又发现了后来又发现了后来又发现了后来又发现了压电、铁电和热释电陶瓷压电、铁电和热释电陶瓷压电、铁电和热释电陶瓷压电、铁电和热释电陶瓷uu导体中的导体中的自由电荷自由电荷在电场作用下定向运动，形在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷束缚电荷。uu在电场作用下，在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下在外电场作用下,电介质内部感生偶极矩的现电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。象，称为电介质的极化。2.2 陶瓷的极化陶瓷的极化偶极子偶极子电偶极矩电偶极矩 ：=ql（单位：库仑单位：库仑 米）米）外场越强，外场越强，l越大，越大，越大；电场消失，越大；电场消失，消失消失电偶极矩的方向电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方电偶极矩的方向与外电场的方向一致。向与外电场的方向一致。质点的极化率质点的极化率：=/Eloc，单位：，单位：Fm2，与材料的，与材料的性性质有关，表征材料的极化能力有关，表征材料的极化能力-q+qlE偶极子偶极子2.2 陶瓷的极化陶瓷的极化uu介电材料介电材料的的极极化，其化，其原理原理是是对对材料施以一材料施以一个电场个电场或磁或磁场场都能使其都能使其产产生不平衡生不平衡电电荷的荷的原子或原子原子或原子团团，結果材料內，結果材料內的的电电荷立即重新分荷立即重新分布布。uu对于对于理想的介理想的介电电材料材料电压电压加加上上时时立刻立刻产产生生电荷与极化电荷与极化，提高了材料的介提高了材料的介电系数电系数+电介质电介质极化的基本形式极化的基本形式介质的极化是由电子极化、离子极化和偶极介质的极化是由电子极化、离子极化和偶极子转向极化组成的，大致可分为以下两类子转向极化组成的，大致可分为以下两类位移极化位移极化取向极化取向极化(松弛极化松弛极化)电子极化电子极化电子极化电子极化离子极化离子极化离子极化离子极化偶极子取向极化偶极子取向极化偶极子取向极化偶极子取向极化空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化是一种弹性的极是一种弹性的极化、瞬时完成，化、瞬时完成，过程不消耗能量过程不消耗能量与热运动有关，与热运动有关，属非弹性极化，属非弹性极化，需要一定的时间需要一定的时间需要能量需要能量（1）电子极化）电子极化uu在外电场作用下，原子在外电场作用下，原子外围的外围的电子云相对于原电子云相对于原子核子核发生相对位移形成发生相对位移形成的极化。的极化。uu建立或消除电子极化的建立或消除电子极化的时间极短，约为时间极短，约为1015 1016 se=e E当电子轨道半径增大时，当电子轨道半径增大时，当电子轨道半径增大时，当电子轨道半径增大时，电子极化率很快地增加。电子极化率很快地增加。电子极化率很快地增加。电子极化率很快地增加。（2）离子极化）离子极化在外电场作用下，构在外电场作用下，构成分子的离子发生相成分子的离子发生相对位移而形成的极化对位移而形成的极化离子极化建立或消除离子极化建立或消除的时间很短，与离子的时间很短，与离子在晶格振动的周期有在晶格振动的周期有相同数量级，约为相同数量级，约为 1012 1013 s+EX+X-离子晶体的极化离子晶体的极化离子极化示意图离子极化示意图无电场无电场有电场有电场具有恒定偶极矩的极具有恒定偶极矩的极性分子，在外加电场性分子，在外加电场作用下，偶极子发生作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电转向，趋于和外加电场方向一致，整体表场方向一致，整体表现为宏观偶极矩。现为宏观偶极矩。转向极化比电子极化转向极化比电子极化率高得多。率高得多。（3）偶极子转向极化）偶极子转向极化陶瓷多晶体在电场中空间电陶瓷多晶体在电场中空间电陶瓷多晶体在电场中空间电陶瓷多晶体在电场中空间电荷在晶粒内和电畴中移动，聚荷在晶粒内和电畴中移动，聚荷在晶粒内和电畴中移动，聚荷在晶粒内和电畴中移动，聚集于边界和表面而产生的极化。集于边界和表面而产生的极化。集于边界和表面而产生的极化。集于边界和表面而产生的极化。在不均匀介质中，如介质中在不均匀介质中，如介质中在不均匀介质中，如介质中在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、存在晶界、相界、晶格畸变、存在晶界、相界、晶格畸变、存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可形杂质、气泡等缺陷区，都可形杂质、气泡等缺陷区，都可形杂质、气泡等缺陷区，都可形成空间电荷极化成空间电荷极化成空间电荷极化成空间电荷极化空间电荷的建立需要较长时空间电荷的建立需要较长时空间电荷的建立需要较长时空间电荷的建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚间，大约几秒到数十分钟，甚间，大约几秒到数十分钟，甚间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此只对直流和至数十小时，因此只对直流和至数十小时，因此只对直流和至数十小时，因此只对直流和低频下的介电性质有影响低频下的介电性质有影响低频下的介电性质有影响低频下的介电性质有影响（4）空间电荷极化）空间电荷极化随温度升高而下降随温度升高而下降温度升高，离子运温度升高，离子运动加剧，离子扩散容动加剧，离子扩散容易，使空间电荷减少易，使空间电荷减少极化种类uu电子极化电子极化电子极化电子极化uu离子极化离子极化离子极化离子极化uu偶极子取向极化偶极子取向极化偶极子取向极化偶极子取向极化uu空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化E四种极化叠加uu介电陶瓷可分为电绝缘陶瓷和介电陶瓷可分为电绝缘陶瓷和电容器电容器陶瓷陶瓷uu2.3.1温度补偿电容器用介电陶瓷即具有适当的负的电容温度系数值 由于振荡回路总是由电感和电容构成，回路中的电由于振荡回路总是由电感和电容构成，回路中的电由于振荡回路总是由电感和电容构成，回路中的电由于振荡回路总是由电感和电容构成，回路中的电感元件一般具有正的电感温度系数，为了保持振荡感元件一般具有正的电感温度系数，为了保持振荡感元件一般具有正的电感温度系数，为了保持振荡感元件一般具有正的电感温度系数，为了保持振荡回路的频率不随温度变化而发生漂移，就必须使用回路的频率不随温度变化而发生漂移，就必须使用回路的频率不随温度变化而发生漂移，就必须使用回路的频率不随温度变化而发生漂移，就必须使用适当负温度系数的电容器来补偿，这种电容器就称适当负温度系数的电容器来补偿，这种电容器就称适当负温度系数的电容器来补偿，这种电容器就称适当负温度系数的电容器来补偿，这种电容器就称之为温度补偿电容器。之为温度补偿电容器。之为温度补偿电容器。之为温度补偿电容器。2.3 介电陶瓷材料介电陶瓷材料uu2.3.1温度补偿电容器用介电陶瓷这种陶瓷介质一般具有中低介电常数，要求温度系数值稳定，特别在高频及较高温度时介电损耗低金红石瓷金红石瓷TiOTiO2 2CaTiOCaTiO3 3，SrTiOSrTiO3 3，MgTiOMgTiO3 3与与LaTiOLaTiO3 3复合复合 微微波波是是一一种种频频率率非非常常高高的的电电磁磁波波。把把波波长长从从1 1米米到到1 1毫毫米米范范围围内内的的电电磁磁波波称称为为微微波波。微微波波波波段段对对应应的的频频率率范范围围为为:3103108 8HzHz3103101111HzHz。如如下图所示。下图所示。uu2.3.2微波介质陶瓷（微波通信等）uu要求具有高介电常数、低介质损耗、低膨胀系数要求具有高介电常数、低介质损耗、低膨胀系数和低介电常数温度系数和低介电常数温度系数2MgOSiO2MgTiO3BaTi4O9微波波段划分 如下:波 段波长范围频率范围波段名称分米波1m10cm0.33GHz特高频(UHF)厘米波10cm1cm330GHz超高频(SHF)毫米波1cm1mm30300GHz极高频(EHF)微波信号由于其频率极高，波长极短，因而具有如下特点为：u由于频率高，信息量大，所以十分有利于在通信由于频率高，信息量大，所以十分有利于在通信技术领域中应用。目前微波通信所包含在可使用技术领域中应用。目前微波通信所包含在可使用波段已超过整个长、中、短波段的波段已超过整个长、中、短波段的10001000倍以上。倍以上。u可直线传播，具有很强的传播方向性，以及高能可直线传播，具有很强的传播方向性，以及高能量和对于金属目标的强反射能力。因此，在雷达、量和对于金属目标的强反射能力。因此，在雷达、导航等方面有利于提高发射和跟踪目标的准确性导航等方面有利于提高发射和跟踪目标的准确性u对不同介质具有强穿透和强吸收能力，从而可实对不同介质具有强穿透和强吸收能力，从而可实现穿透高空中电离层的卫星通信，时行微波医疗现穿透高空中电离层的卫星通信，时行微波医疗诊断、微波探伤以及作为微波吸收材料和发热体诊断、微波探伤以及作为微波吸收材料和发热体u微波设备的数字化可实现通信的保密性。微波设备的数字化可实现通信的保密性。uu2.3.3高介电容器陶瓷 可高达可高达可高达可高达4000400080008000，在滤波、旁路、稳压、，在滤波、旁路、稳压、，在滤波、旁路、稳压、，在滤波、旁路、稳压、整流及交流断路器中广泛使用整流及交流断路器中广泛使用整流及交流断路器中广泛使用整流及交流断路器中广泛使用这类陶瓷不仅要这类陶瓷不仅要这类陶瓷不仅要这类陶瓷不仅要 高，而且温度稳定性好，居里高，而且温度稳定性好，居里高，而且温度稳定性好，居里高，而且温度稳定性好，居里点在工作温度范围内，且能方便地被调整点在工作温度范围内，且能方便地被调整点在工作温度范围内，且能方便地被调整点在工作温度范围内，且能方便地被调整BaTiO3为基，添加各种添加物（Sr,Sn,Zr）2.3 介电陶瓷材料介电陶瓷材料uu2.3.4高压陶瓷电容器（电子线路中）SrTiO3:比BaTiO3有更好的介电特性电容器常用的电容器2.4.铁电陶瓷铁电陶瓷uu一般介电体，加上电场发生极化去掉电场极化就一般介电体，加上电场发生极化去掉电场极化就一般介电体，加上电场发生极化去掉电场极化就一般介电体，加上电场发生极化去掉电场极化就消失，而铁电体有自发极化现象。消失，而铁电体有自发极化现象。消失，而铁电体有自发极化现象。消失，而铁电体有自发极化现象。uu自发极化自发极化自发极化自发极化：在无外电场作用下存在的极化现象称在无外电场作用下存在的极化现象称在无外电场作用下存在的极化现象称在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。为自发极化。为自发极化。为自发极化。uu铁电又称强介电，在一定温度范围内可发生自极铁电又称强介电，在一定温度范围内可发生自极铁电又称强介电，在一定温度范围内可发生自极铁电又称强介电，在一定温度范围内可发生自极化，在外场作用下自发极化能够随电场改变电偶化，在外场作用下自发极化能够随电场改变电偶化，在外场作用下自发极化能够随电场改变电偶化，在外场作用下自发极化能够随电场改变电偶极子方向，并且撤去外场后能保留剩余极化，这极子方向，并且撤去外场后能保留剩余极化，这极子方向，并且撤去外场后能保留剩余极化，这极子方向，并且撤去外场后能保留剩余极化，这种性质叫铁电性种性质叫铁电性种性质叫铁电性种性质叫铁电性uu自发极化的必要条件：晶体不具有对称中心自发极化的必要条件：晶体不具有对称中心自发极化的必要条件：晶体不具有对称中心自发极化的必要条件：晶体不具有对称中心uu铁电体特征：有电滞回线铁电体特征：有电滞回线铁电体的极化强度铁电体的极化强度铁电体的极化强度铁电体的极化强度P P随外加电场强度随外加电场强度随外加电场强度随外加电场强度E E的变化轨迹的变化轨迹的变化轨迹的变化轨迹P Pr r：剩余极化强度：剩余极化强度：剩余极化强度：剩余极化强度E Ec c：矫顽场：矫顽场：矫顽场：矫顽场P Ps s：饱和极化强度：饱和极化强度：饱和极化强度：饱和极化强度Ec铁电体特征：有居里温度铁电体特征：有居里温度uu铁电体的自发极化只在某一温度范围内才存在，铁电体的自发极化只在某一温度范围内才存在，铁电体的自发极化只在某一温度范围内才存在，铁电体的自发极化只在某一温度范围内才存在，当温度超过某一极限值以后，自发极化即行消失。当温度超过某一极限值以后，自发极化即行消失。当温度超过某一极限值以后，自发极化即行消失。当温度超过某一极限值以后，自发极化即行消失。这一物理过程的临界温度这一物理过程的临界温度这一物理过程的临界温度这一物理过程的临界温度T Tc c被成为被成为被成为被成为“居里温度居里温度居里温度居里温度”存在自发极化的晶体结构称为存在自发极化的晶体结构称为存在自发极化的晶体结构称为存在自发极化的晶体结构称为“铁电相铁电相铁电相铁电相”自发极化消失的晶体结构称为自发极化消失的晶体结构称为自发极化消失的晶体结构称为自发极化消失的晶体结构称为“顺电相顺电相顺电相顺电相”uu如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电相，相，相，相，则将温度最高，介电常数的跃变最剧烈的温则将温度最高，介电常数的跃变最剧烈的温则将温度最高，介电常数的跃变最剧烈的温则将温度最高，介电常数的跃变最剧烈的温度为居里点度为居里点度为居里点度为居里点，其他相变则称为转变点，其他相变则称为转变点，其他相变则称为转变点，其他相变则称为转变点BaTiOBaTiO3 3介电常数的温度关系介电常数的温度关系介电常数的温度关系介电常数的温度关系BaTiOBaTiO3 3四种晶型元胞四种晶型元胞四种晶型元胞四种晶型元胞（a a）立方晶系）立方晶系）立方晶系）立方晶系T120T120;（b b）四方晶系）四方晶系）四方晶系）四方晶系0T1200T120;（c c）正交晶系）正交晶系）正交晶系）正交晶系80T080T0（d d）三角晶系）三角晶系）三角晶系）三角晶系TT8080 uu以BaTiO3或PbTiO3基固溶体为主晶相的铁电陶瓷，是铁电陶瓷的代表性陶瓷材料，是制造电容器的重要材料之一uuBaTiO3具有六方相：六方相：六方相：六方相：14601460立方相立方相立方相立方相：120120四方相四方相四方相四方相：5 5120 120 斜方相：斜方相：斜方相：斜方相：90905 5 三方相：三方相：三方相：三方相：90 90 主要铁电陶瓷主要铁电陶瓷无自发极化无自发极化无自发极化无自发极化（铁电陶瓷中应尽量避免）（铁电陶瓷中应尽量避免）（铁电陶瓷中应尽量避免）（铁电陶瓷中应尽量避免）自发极化沿自发极化沿自发极化沿自发极化沿001001方向方向方向方向自发极化沿自发极化沿自发极化沿自发极化沿011011方向方向方向方向自发极化沿自发极化沿自发极化沿自发极化沿111111方向方向方向方向BaTiO3陶瓷特性uuBaTiOBaTiO3 3陶瓷一般结构：粒径陶瓷一般结构：粒径3 310 um10 umuuBaTiOBaTiO3 3陶瓷的电滞回线和电致收缩陶瓷的电滞回线和电致收缩BaTiOBaTiO3 3陶瓷的介电常数温度特性陶瓷的介电常数温度特性陶瓷的介电常数温度特性陶瓷的介电常数温度特性压力对BaTiO3基铁电陶瓷的影响uu铁电电容器陶瓷BaTiOBaTiO3 3高电容的电容器高电容的电容器PbTiOPbTiO3 3铌酸铅铌酸铅uu透明铁电陶瓷PLZTPbPLZTPb1 1x xLaLax x（ZrZry yTiTi1-y1-y）1-x/41-x/4OO3 3uu19901990年，居里兄弟发现：当对年，居里兄弟发现：当对年，居里兄弟发现：当对年，居里兄弟发现：当对-石英晶体在某石英晶体在某石英晶体在某石英晶体在某些特定方向上加些特定方向上加些特定方向上加些特定方向上加压压力力力力时时，在力方向的垂直平面，在力方向的垂直平面，在力方向的垂直平面，在力方向的垂直平面上出上出上出上出现现正、正、正、正、负负束束束束缚电缚电荷，荷，荷，荷，这这种种种种现现象称象称象称象称为为压电压电效效效效应应2.5.压电及热释电陶瓷压电及热释电陶瓷pp某些电介质晶体中，可某些电介质晶体中，可某些电介质晶体中，可某些电介质晶体中，可通过机械力作用而发生极通过机械力作用而发生极通过机械力作用而发生极通过机械力作用而发生极化化化化，并因而引起表面电荷的现象称为，并因而引起表面电荷的现象称为，并因而引起表面电荷的现象称为，并因而引起表面电荷的现象称为压电效应压电效应压电效应压电效应。压电陶瓷压电陶瓷pp陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不常是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不常是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不常是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不显示压电效应。显示压电效应。显示压电效应。显示压电效应。pp铁电陶瓷在居里温度以下时具有自发极化和电畴，铁电陶瓷在居里温度以下时具有自发极化和电畴，铁电陶瓷在居里温度以下时具有自发极化和电畴，铁电陶瓷在居里温度以下时具有自发极化和电畴，在强直流电场作用下，电畴将沿电场的方向取向，当在强直流电场作用下，电畴将沿电场的方向取向，当在强直流电场作用下，电畴将沿电场的方向取向，当在强直流电场作用下，电畴将沿电场的方向取向，当撤去电场后，陶瓷仍保留具有沿电场方向的剩余极化，撤去电场后，陶瓷仍保留具有沿电场方向的剩余极化，撤去电场后，陶瓷仍保留具有沿电场方向的剩余极化，撤去电场后，陶瓷仍保留具有沿电场方向的剩余极化，表现为单轴的各向异性。表现为单轴的各向异性。表现为单轴的各向异性。表现为单轴的各向异性。pp如果在铁电陶瓷片两侧放上电极，进行极化，使内如果在铁电陶瓷片两侧放上电极，进行极化，使内如果在铁电陶瓷片两侧放上电极，进行极化，使内如果在铁电陶瓷片两侧放上电极，进行极化，使内部晶粒定向排列，陶瓷便具有压电性，成为压电陶瓷部晶粒定向排列，陶瓷便具有压电性，成为压电陶瓷部晶粒定向排列，陶瓷便具有压电性，成为压电陶瓷部晶粒定向排列，陶瓷便具有压电性，成为压电陶瓷。uu陶瓷呈现压电性的条件：陶瓷内的晶粒呈铁电性陶瓷内的晶粒呈铁电性陶瓷经强直流电场处理，即极化处理陶瓷经强直流电场处理，即极化处理uu压电陶瓷是经过人工极化处理的铁电陶瓷压电陶瓷是经过人工极化处理的铁电陶瓷uu目前应用最广泛的压电陶瓷都属于钙钛矿目前应用最广泛的压电陶瓷都属于钙钛矿型（型（ABO3）结构，如钛酸钡，钛酸铅）结构，如钛酸钡，钛酸铅PbTiO3(PT)、，锆钛酸铅，锆钛酸铅Pb(Ti1-xZrx)O3(PZT)、锆钛酸铅镧，铌酸钾钠锆钛酸铅镧，铌酸钾钠压电效应压电效应压电效应压电效应正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力：当对某些晶体施加压力、张力或切向力：当对某些晶体施加压力、张力或切向力：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这种现两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这种现两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这种现两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这种现象称为正压电效应。象称为正压电效应。象称为正压电效应。象称为正压电效应。逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时，将产生：在晶体上施加电场引起极化时，将产生：在晶体上施加电场引起极化时，将产生：在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成正比例的变形或机械应力。与电场强度成正比例的变形或机械应力。与电场强度成正比例的变形或机械应力。与电场强度成正比例的变形或机械应力。正、逆压电效应统称为压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性各向同性各向同性各向同性，不显不显不显不显示压电性示压电性示压电性示压电性。经。经电场处理电场处理后，陶瓷后，陶瓷存在剩余极化强度存在剩余极化强度存在剩余极化强度存在剩余极化强度，它它它它是以是以束缚电荷的形式束缚电荷的形式束缚电荷的形式束缚电荷的形式表现出来，且由表现出来，且由各向同性各向同性变成变成各向异性各向异性，从，从而而具有压电性具有压电性具有压电性具有压电性。电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片+uu由于束缚电荷的作用由于束缚电荷的作用由于束缚电荷的作用由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上在陶瓷片两极板上在陶瓷片两极板上在陶瓷片两极板上吸附吸附吸附吸附了一层表面电荷，了一层表面电荷，了一层表面电荷，了一层表面电荷，这些这些这些这些吸附电荷吸附电荷吸附电荷吸附电荷与片内与片内与片内与片内束缚电束缚电束缚电束缚电荷荷荷荷数量相等数量相等数量相等数量相等，符号相反符号相反符号相反符号相反，起起起起屏蔽和抵消屏蔽和抵消屏蔽和抵消屏蔽和抵消片内极化片内极化片内极化片内极化强度对外界的作用强度对外界的作用强度对外界的作用强度对外界的作用。压电效应的机理压电效应的机理+当在瓷片上加一个当在瓷片上加一个与极化方向平行的压与极化方向平行的压力力F时时，在应力的作用下在应力的作用下瓷片发生压缩形变瓷片发生压缩形变，片片内的正、负电荷之间的距离变小，极化强度也内的正、负电荷之间的距离变小，极化强度也变小变小，原来吸附在电极上的自由电荷有一部分原来吸附在电极上的自由电荷有一部分被释放出来被释放出来，这就是被压缩后出现的压电效应，这就是被压缩后出现的压电效应(正压电正压电)。其过程示意所示：。其过程示意所示：当压力撤去后当压力撤去后，陶瓷片恢复原状陶瓷片恢复原状(膨膨胀过程胀过程)，陶瓷片内的正、负电荷之间的陶瓷片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大距离变大，极化强度也变大，因此，电极，因此，电极上上又吸附一部分自由电荷又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。而出现充电现象。当在瓷片上施加当在瓷片上施加与极化方向相同的与极化方向相同的电电场场时，此时时，此时增大了极化强度增大了极化强度，瓷片发生，瓷片发生伸长伸长形变形变，此时，此时，电能变为机械能电能变为机械能(逆压电逆压电)。此。此过程示意如下：过程示意如下：压电陶瓷的性能参数uu介电性质方面：介电常数、介质损耗介电性质方面：介电常数、介质损耗 介电常数介电常数 反映材料的介电性质，或者说反映材料的极反映材料的介电性质，或者说反映材料的极化性质，不同用途的压电元件对材料的介电常数要求化性质，不同用途的压电元件对材料的介电常数要求也不同也不同uu陶瓷扬声器、送话器要求陶瓷扬声器、送话器要求 大一些好大一些好大一些好大一些好uu高频压电元件刚要求高频压电元件刚要求高频压电元件刚要求高频压电元件刚要求 小一些好小一些好小一些好小一些好 介电损耗（小）介电损耗（小）uu弹性性质方面：弹性常数、机械品质因子弹性性质方面：弹性常数、机械品质因子QQmm 表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小 QQmm与机械损耗成反比与机械损耗成反比uu压电性质方面：压电常数、机械耦合系数压电性质方面：压电常数、机械耦合系数uu居里温度、频率常数、密度以及与老化性能和温居里温度、频率常数、密度以及与老化性能和温度性能有关的参数度性能有关的参数压电材料主要工程参数压电材料主要工程参数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数压电陶瓷的应用：压电陶瓷的应用：在水声技术中的应用在水声技术中的应用在超声技术中的应用在超声技术中的应用￥在高电压发生装置上的应用在高电压发生装置上的应用在滤波器上的应用在滤波器上的应用压电陶瓷水声换能器压电陶瓷水声换能器压电陶瓷水声换能器压电陶瓷水声换能器是利用压电陶瓷的正、逆压电效应发射声波或接收声是利用压电陶瓷的正、逆压电效应发射声波或接收声是利用压电陶瓷的正、逆压电效应发射声波或接收声是利用压电陶瓷的正、逆压电效应发射声波或接收声波来完成水下观察、通信和探测工作。波来完成水下观察、通信和探测工作。波来完成水下观察、通信和探测工作。波来完成水下观察、通信和探测工作。具体过程如下：压电陶瓷在电场作用下具有正负极，具体过程如下：压电陶瓷在电场作用下具有正负极，具体过程如下：压电陶瓷在电场作用下具有正负极，具体过程如下：压电陶瓷在电场作用下具有正负极，能产生电致伸缩效应，能产生电致伸缩效应，能产生电致伸缩效应，能产生电致伸缩效应，在交变电场作用下发生振动在交变电场作用下发生振动在交变电场作用下发生振动在交变电场作用下发生振动，振动在声频范围内就能发出声音，振动在声频范围内就能发出声音，振动在声频范围内就能发出声音，振动在声频范围内就能发出声音，当在共振频率时就当在共振频率时就当在共振频率时就当在共振频率时就能发出很强的声波，能发出很强的声波，能发出很强的声波，能发出很强的声波，能传几海里以至几十海里，碰到能传几海里以至几十海里，碰到能传几海里以至几十海里，碰到能传几海里以至几十海里，碰到障碍物就能反射回来，障碍物就能反射回来，障碍物就能反射回来，障碍物就能反射回来，压电陶瓷接收反射波并转变为压电陶瓷接收反射波并转变为压电陶瓷接收反射波并转变为压电陶瓷接收反射波并转变为电信号，记录电信号，计算传播时间和方向就可判断电信号，记录电信号，计算传播时间和方向就可判断电信号，记录电信号，计算传播时间和方向就可判断电信号，记录电信号，计算传播时间和方向就可判断障碍物的方向和位置障碍物的方向和位置障碍物的方向和位置障碍物的方向和位置。具有水中雷达的作用。具有水中雷达的作用。具有水中雷达的作用。具有水中雷达的作用。超声清洗装置超声清洗装置超声清洗装置超声清洗装置￥利用压电陶瓷的利用压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应，在高驱动电场下产生，在高驱动电场下产生高强度超声波，用这种压电振子来振荡液体，连细高强度超声波，用这种压电振子来振荡液体，连细小深孔中的油污都能清除干净。小深孔中的油污都能清除干净。超声医疗诊断技术超声医疗诊断技术超声医疗诊断技术超声医疗诊断技术用压电陶瓷制成的超声波发生探头发出的超声波在用压电陶瓷制成的超声波发生探头发出的超声波在体内传输，遇到病灶能反射回来，压电陶瓷传感器体内传输，遇到病灶能反射回来，压电陶瓷传感器接收并在荧光屏上显示出来。接收并在荧光屏上显示出来。超声乳化、超声打孔、超声粉碎、超声波测距计、超声乳化、超声打孔、超声粉碎、超声波测距计、超声乳化、超声打孔、超声粉碎、超声波测距计、超声乳化、超声打孔、超声粉碎、超声波测距计、电视机遥控等。电视机遥控等。电视机遥控等。电视机遥控等。利用压电陶瓷的正压电效应，可以简单地将机利用压电陶瓷的正压电效应，可以简单地将机利用压电陶瓷的正压电效应，可以简单地将机利用压电陶瓷的正压电效应，可以简单地将机械能转换成电能，产生高电压。械能转换成电能，产生高电压。械能转换成电能，产生高电压。械能转换成电能，产生高电压。压电陶瓷可作为：压电点火器、煤气灶点火器、压电陶瓷可作为：压电点火器、煤气灶点火器、压电陶瓷可作为：压电点火器、煤气灶点火器、压电陶瓷可作为：压电点火器、煤气灶点火器、打火机、压电开关等。打火机、压电开关等。打火机、压电开关等。打火机、压电开关等。滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频率，压电陶瓷滤波器利用压电陶瓷的谐振效应，率，压电陶瓷滤波器利用压电陶瓷的谐振效应，率，压电陶瓷滤波器利用压电陶瓷的谐振效应，率，压电陶瓷滤波器利用压电陶瓷的谐振效应，在线路中分割频率，只允许一段频率通过。在线路中分割频率，只允许一段频率通过。在线路中分割频率，只允许一段频率通过。在线路中分割频率，只允许一段频率通过。应用：电视机的视屏中间滤波器、调频接收机应用：电视机的视屏中间滤波器、调频接收机应用：电视机的视屏中间滤波器、调频接收机应用：电视机的视屏中间滤波器、调频接收机用中频滤波器等。用中频滤波器等。用中频滤波器等。用中频滤波器等。B超探头用高性能压电陶瓷晶片超探头用高性能压电陶瓷晶片主要用途：主要用途：高档医用B超探头材料性能：材料性能：介电常数可高达5000、6000、7000系列热释电陶瓷热释电陶瓷热释电效应：晶体由于温度的变化而发生自发极热释电效应：晶体由于温度的变化而发生自发极化，在晶体的一定方向上产生表面电荷的现象称化，在晶体的一定方向上产生表面电荷的现象称为热释电效应。为热释电效应。具有这种效应的陶瓷称为热释电具有这种效应的陶瓷称为热释电陶瓷陶瓷具有热释电效应的必要条件具有热释电效应的必要条件自发极化自发极化钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅应用：应用：热释电红外探测器（红外传感器）热释电红外探测器（红外传感器）入侵报警入侵报警火焰探测火焰探测红外热象仪等红外热象仪等红外探测器用热释电陶瓷材料红外探测器用热释电陶瓷材料应用：应用：红外探测器是一种高科技产品，具有很高的性价比。除了军事应用外，在工业设备检测和监控、疾病早期诊断与医疗监控、消防和海上救援用头盔夜视仪、高速公路和银行夜间安全监视、森林火灾预警、仓库和重要物资的夜间监控与保卫、执法辑毒和生活小区防范等领域具有广阔的应用前景与巨大的市场潜力。未来20年红外探测器的需求量预计年增长率将达到20以上。特特点点：热释电材料（单晶、陶瓷和薄膜）是红外探测器的关键敏感元材料。20多年来，上海硅酸盐研究所在热释电陶瓷材料的研究和开发方面开展了大量的工作，已开发出一系列具有自主知识产权的热释电陶瓷材料产品，并拥有数项相关国家发明专利，曾向国内有关用户批量提供热释电陶瓷材料，有关器件水平达到日本同类产品的水平，部分材料性能参数甚至超过了日本的商用材料。高电阻率高电阻率高电阻率高电阻率PZTPZT陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料低电阻率低电阻率低电阻率低电阻率PZTPZT陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料 热释电系数热释电系数热释电系数热释电系数(C/(C/cmcm.k.k)4.54.5 1010-8-83.53.5 1010-8-8 相对介电常数相对介电常数相对介电常数相对介电常数 300300210210介质损耗介质损耗介质损耗介质损耗 5 5 1010-3-31%1%电阻率电阻率电阻率电阻率(.cm).cm)1010 101012121.21.2 10101111部分热释电陶瓷材料性能部分热释电陶瓷材料性能