压电铁电材料资料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 智能材料中的压电、铁电材料,6.1,压电、铁电材料的驱动、传感特性,驱动、传感特性的表征,当把电能输入到压电驱动器时，可由材料直接转变为位移或其他机械能形式。,驱动器的材料还包括磁致伸缩材料、光致伸缩材料以及形状记忆合金等。,但是由于,压电陶瓷,和,铁电,材料作,用力大,、,响应快,、,频率范围宽,等一系列优点而广泛应用于精确定位系统。这类电机,(,耦合,),驱动器最重要的参数是电场诱发的应变。已经证明，能量密度是驱动器每单位质量传递能量的量度，计算公式如,式中：,e,max,为能量密度；,E,为驱动器材料的弹性模量；,S,max,电场诱发的最大应变；,为驱动器材料的密度；,1,4,为适应系数,(,与相关环境的驱动器阻抗有关,),。,(6-1),压电效应的表征,当在某些特定方向上对,-,石英晶体加力,(,拉或压,),时，在与力方向垂直的平面内出现正、负束缚电荷，这种现象后来被称为压电性。这种由,机械能转换成电能,的过程，称之为,正压电效应,。这种效应常用于,测力的传感器,中。,图,6-2,力,-,电转换的三种效应,(a),纵向效应,(b),横向效应,(c),剪切效应,a.,压电性的纵向效应,(,力作用方向和形成的电场方向一致,),b.,横向效应,(,力作用方向和形成的电场方向垂直,),c.,剪切效应,(,力作用方向和剪切形成的电场方向垂直,),。,如果把电场加到压电晶体上，则晶体在电场作用下产生应变。这种由,电能转换成机械能,的过程称为,逆压电效应,。,压电陶瓷驱动器,恰是应用了逆压电效应。,做正压电效应实验,(,忽略实验中可能的温度变化，即认为满足绝热条件,),。先后在不同方向的两个面被上电极，利用冲击检流计,G,测其面上的电荷量,图,6-3,正压电效应实验示意,(a),拉压应力,(b),剪切应力,1),在,X,方向上的两个面被上电极,当石英晶体,X,方向上受到正应力,1,作用时，由冲击检流计可测得,X,方向电极面上所产生的电荷,Q,1,，并发现表面电荷密度,1,与作用应力,1,成正比，即,1,1,，,写成等式,1,=d,11,1,，其中,1,为沿法线方向的正应力,(,向内是该面的法线方向，都取正,),；系数,d,11,称为,压电应变常量,，其下标的,个位数,代表,力学量作用方向,，,十位数,代表,电学量方向,。在国际单位制系统中电位移等于表面电荷密度，即,D,1,=,1,，故,当石英晶体,Y,方向受到正应力,2,作用时，,X,方向可测得电荷，同理可写出,式中，,d,12,为,Y,方向受正应力，,X,方向产生电荷时的压电应变常量。,(6-3),(6-2),当石英晶体,Z,方向受到正应力,3,作用时，在,X,方向的冲击检流计无电荷效应，故,因为,3,0,，,故。,d,13,=0,用同样的方法，可以测得在切向应力,(,图,6-3(b),作用下,X,方向的电位移,(6-5),(6-6),(6-4),由式,(6-6),可知，,d,15,=d,16,=0,。前两式中的切应力,4,、,5,、,6,分别表示,YZ,、,ZX,、,XY,面上的切应力。将式,(6-2),、式,(6-3),、式,(6-5),综合考虑，则得到,X,方向上电位移,2),在,Y,方向的两个面被上电极,采用,1),中同样步骤，可以测得,3),在,Z,方向的两个面被上电极,采用,1),中同样步骤，可测得,(6-8),(6-9),(6-7),通过实验发现，对于,-,石英晶体，无论在哪个方向施加多大的力，在,Z,方向的电极面上均无电荷效应，说明该方向无压电效应产生。用矩阵形式表述其结果，则,式中等号右边第一项称为,-,石英晶体的压电应变常量矩阵。如果把电位移与应力的关系写成对不同压电材料的一般式，则为,式中：,m,为电学量方向；,j,为力学量方向；,d,mj,为压电应变常量；,D,m,为电位移,(6-11),(6-10),电致伸缩效应的表征,压电材料加上电场之后，不仅存在逆压电效应产生的应变，而且还存在,一般电介质在电场作用下产生的应变,，并且该应变与电场强度的平方成正比。后一效应称为,电致伸缩效应,。不过由于相对于逆压电效应而言，产生的应变甚小，故常常被忽略。然而对于,电致伸缩陶瓷,，此效应却成为应变的主体。,用于传感的压电陶瓷的工作过程可以图,6-4,说明。以交变信号加到压电材料,(,陶瓷、聚合物或单晶体,),上产生声波，此时压电材料充当一个,压电变送器,(,声源,),。经过介质或在表面反射到另外压电材料上转换成电压信号，此时压电材料作为一个,感知元件,(,探测器,),。当然许多情况下，压电材料作为感知元件是简单地对输入的机械能以电量输出作出反应。作为感知元件，压电陶瓷受到应力或者空气的冲击后，平衡态被打破，在压电陶瓷上建立了电荷；如果应力保持不变，压电陶瓷受应力产生的束缚电荷会被空气中的游离异号电荷或压电陶瓷内部其他电荷所中和。那么，压电感知元件仅对应力的变化作出反应。换句话说，,压电传感是一交流器件，而不是直流器件。,图,6-4,压电陶瓷传感器工作示意图,图,6-5,双层压电片应力传感器示意图,传感、驱动产生的机制,应用于智能材料与结构中的压电、铁电材料具有传感及驱动功能。这两种功能主要来自材料的,结构,和,相变,等。,压电效应来自没有中心对称的结构,具有压电效应的晶体,必须是没有中心对称的结构,。以二氧化硅单晶体为例解释压电效应。,1927,年,Meissner A,把石英晶体模型简化为一个硅原子、两个氧原子交替排列，形成一螺旋管。它沿,Z,方向视图如图,6-6(a),所示。在一个晶胞中，有三个硅原子、六个氧原子成对排列。每个硅原子携带四个正电荷，一对氧原子携带四个负电荷,(,每个原子有两个负电荷,),。因此，在无外应力情况下，石英晶胞是电中性的。当沿,X,方向施加外力时，六方晶格变形,(,图,6-6(b),。由图可知，变形的结果是方向靠近硅原子边出现正电荷，靠近氧原子边出现负电荷。如果晶体沿,X,方向拉长，由于变形情况不同，则沿,Y,方向形成与压缩力相反的极化电荷状态,(,图,6-6(c),。此简单模型说明了压电效应产生的机制。,图,6-6,石英晶体正压电效应,(a),石英晶体,(b),沿,X,轴施加压力,(c),沿,X,轴施加拉力,具有自发极化的铁电材料,从晶体结构上分析，除满足没有中心对称外，铁电材料还具有极轴。这里对不同铁电材料出现自发极化的具体结构，按钟维烈的分类，简单描述如下。,1),含氧八面体的铁电体,(A),钙钛矿型铁电体,钙钛矿型铁电体是铁电体中为数最多的一类，化学通式为,ABO,3,，。晶体结构可用图,6-7,所示简单立方晶格描述。,顶角为较大的,A,离子占据，体心为较小的,B,离子占据，六个面心则为氧离子占据，并形成氧八面体，,B,离子处于中心。,图,6-7,钙钛矿的结构晶胞,图,6-8,正氧八面体及其二重、三重和四重对稚轴,图,6-9 BaTiO,3,和,PbTiO,3,四方晶胞在,a,面上的投影,(a)BaTiO,3,(b)PbTiO,3,整个晶体可看成由氧八面体共顶点连接而成。可把氧八面体单独表示并绘成图,6-8,。这种正氧八面体有,3,个四重轴、,4,个三重轴和,6,个二重轴。当,B,离子偏离氧八面体中心时，则正、负电荷中心不重心，而产生自发极化。,B,离子的运动经常沿这,3,个轴的方向进行，故自发极化也是沿这三个方向之一进行。如果铁电体处于简单立方结构是不具自发极化能力的。只有当,B,离子偏离中心，晶体结构从立方晶体转变为低对称相,(,如四方相,),时，才产生自发极化。这类铁电体的二个代表,-BaTiO,3,、,PbTiO,3,的四方晶胞在,a,面上的投影示意在图,6-9,上。图中箭头方向表示,Ti,原子沿晶体,c,轴方向的位移。,(B),铌酸锂型铁电体,这类铁电体有,LiNbO,3,、,LiTaO,3,、,BiFeO,3,等。,LiNbO,3,的晶体结构及产生自发极化的结构示意于图,6-10,。这类晶体自发极化与氧八面体三重轴平行。各氧八面体以共面的形式叠置起来形成堆垛。公共面与氧八面体三重轴垂直，亦即与极轴垂直。在顺电相时，每个堆垛中氧八面体所含,Nb,或,Li,出现的顺序不同，如图,6-10(a),所示。俯视时，首先看到的是一个中心有,Nb,的氧八面体，其下面是两个在其公共面上有,Li,的氧八面体,(,注意图中公共面含有,Li,的二个氧八面体的氧原子没有用直线连接,),。,Nb,位于氧八面体中心，,Li,位于氧平面内，无自发极化。当发生居里转变形成铁电相时，,Nb,和,Li,都发生了沿,c,轴的位移，,Nb,离开了氧八面体中心，,Li,离开了氧八面体公共面,(,图,6-10(b),，从而形成沿,c,轴的电偶极矩，即形成自发极化。,图,6-10 LiNbO,3,自发极化形成示意图,(a),顺电相,(b),铁电相,2),含氢键的铁电体,(A)KDP,系列晶体,这类含氢键的铁电体主要有,KH,2,PO,4,(KDP),、,RbH,2,PO,4,、,KH,2,AsO,4,、,C,3,H,2,AsO,4,，反铁电体有,NH,4,H,2,PO,4,。现以,KDP,为例说明自发极化产生的原子位移变化。图,6-12,为,KDP,晶胞结构图。已知,P,原子位于氧四面体内部,(,未画出,P,原子,),。由图可见，顺电相时，四面体,PO,4,的四重旋转反演轴与,c,轴平行。每个晶胞含有四个化学式单元。分配方式为：晶胞的顶角和体心各含一个,PO,4,；两个,a,面和两个,b,面上各有一个,PO,4,。,K,原子排列方式同,PO,4,，只是沿,c,轴错开半个单位长度。图,6-12,表示的是体心晶胞，包含两个格点，每个格点代表二个化学式单元。,PO,4,四面体的每个顶点氧原子都通过氢键与另一,PO,4,四面体相联系。图,6-12,中只画出与体心,PO,4,四面有关的四个氢键。为清楚起见，图,6-13,画出其在平面的投影图。由图可知，顺电相时，氢键中两个可能的位置对称地分布于氢键中心两侧。两个位置具有的概率相等，无自发极化。当发生向铁电相转变时，质子择优分布于两个可能位置之一。由于静电相互作用，虽然质子有序发生在,c,平面内，但,K,和,P,原子都沿,c,轴发生静态位移，使晶胞沿,c,轴出现电偶极矩，故产生自发极化。,图,6-12 KDP,晶胞结构（,P,未画出）,图,6-13 KDP,晶胞在,c,平面上的投影（,P,未画出）,上氧原子 下氧原子,-,氢键,P,原子附近的数字为,Z,坐标（,K,未画出）,(B)LHP,和,LDP,铁电体,PbHPO,4,(LHP),和,PbDPO,4,(LDP),是发现较晚的氧键铁电体。它的结构和,KDP,晶体类似，也是氧四面体,PO,4,之间由氢键联系起来的。顺电相时，质子占据两个可能位置的概率相等,(,图,6-14),，每个晶胞含两个化学式单元。铁电相时，质子择优占据两个可能位置之一，而且各,P-O,键长不再相等，于是沿,b,轴的二重旋转轴消失。质子有序化后，使,ac,平面内靠近氢键方向出现电偶极矩。图,6-15,表示晶胞在,ac,平面内的投影，箭头方向表示电偶极矩方向。该晶体自发极化方向与氢键方向近似平行，说明自发极化确是质子有序化造成的。这与前面所说的,KDP,晶体不同。因为,KDP,中的自发极化与氢键相互垂直，质子有序化只是自发极化触发机制。,图,6-12 LHP,的晶胞,图,6-15 LHP,晶胞在,ac,平面内的投影,3),聚合物和液晶铁电体,聚合物和液晶铁电体的重要性与日俱增，尤其是在智能材料与结构中成为重要的组元。,(A