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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1010 cm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 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 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 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 JustHeuy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 NaKC4H4O6 4H2O 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 Conversepiezoelectriceffect 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Roberts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 S E2 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 V m 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 fr l 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 fr D 薄板厚度伸缩振动 Nt fr t 细长棒K33振动 N33 fr l 薄板切变K15振动 N15 fr lt 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 34 6 相对介电常数 不同用途的压电元件对相对介电常数要求也不相同 通常压电元件在高频状态工作时 相对介电常数 要小 反之要大一些 由于压电发电器装置通常工作在超声波频率范围内 故常取 1500 7 弹性常数s压电陶瓷材料也是一种弹性体 在弹性极限范围之内 受力与变形成正比 它反映压电陶瓷弹性变形的能力 其值定义为 在线性弹性变形之内 8 工作条件参数限定压电陶瓷工作范围或规定工作条件的参数 居里温度Tc 压电陶瓷在某一温度以下方具有压电性 其临界温度点称为居里温度Tc 35 五 典型的压电材料 压电晶体 压电石英晶体 水晶 性能很稳定 居里点温度高 高达573 广泛用作标准频率控制的振子和滤波器 以及换能器用大功率发射器 铌酸锂 LiNbO3 特点是居里温度高 达1210oC 并且在很高的温度范围内压电性能随温度变化很小 可在高温下工作 1050 以及良好的机械性能和化学稳定性 在超声技术中得到广泛应用 罗息盐 酒石酸钾钠 NaKC4H4O6 4H2O 从其上第一次发现了铁电性 压电性高 制做方便 价格便宜 优点是压电性高 水晶的1000倍 缺点是性能不稳定 机械性能差 它在湿度高于85 潮解 在温度高于55 时分解成酒石酸纳和酒石酸钾 目前应用很少 磷酸二氢铵晶体 性能较稳定 机械性能较好 但湿度超过93 时潮解 故已基本不用 36 钛酸钡 BaTiO3 压电陶瓷 最先制成 并广泛应用的压电陶瓷 除罗息盐外 其机电偶合系数最高 但性能较罗息盐稳定 能在较大的温度范围内工作 其缺点是居里点较低 约为115 并且还有两个相变点 这样其机电性能很不稳定 经过组成改性 使其性能得到改善 至今仍得到较多应用 钛锆酸铅 PbZr0 53Ti0 47O3 特点是居里温度高 达1210 并且在很高的温度范围内压电性能随温度变化很小 可在高温下工作 1050 以及良好的机械性能和化学稳定性 在超声技术中得到广泛应用 压电陶瓷 压电高分子材料 压电复合材料 37 六 压电材料的应用 一 压电式传感器 二 压电变压器 三 超声测速 四 压电发电器 38 一 压电传感器 用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号 可应用于声纳系统 气象探测 遥感遥测 环境保护 家用电器 如汽车上测量气压 发动机内部燃烧压力和真空度 39 压电变压器压电变压器的外形与结构示意图 压电变压器外形 压电变压器结构 二 压电变压器 40 正压电效应的应用主要用于燃气点火器 基本工作原理是 由外力压缩一个弹簧并释放 推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压并形成放电火花 点燃可燃气体 压电陶瓷变压器的基本构成则是将一压电蜂鸣器的应用与一压电点火器的应用组合起来 根据压电陶瓷变压器的结构不同 可以是升压型 也可以是降压型 如 输入端施加一定频率的低压 由逆压电效应在变压器内部首先将电能转换为机械能 纵驻波传播 然后变压器输出端再将机械能转换为电能 产生一定频率的高压 从而实现升压过程 压电变压器工作原理 逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器 基本工作原理为 当压电陶瓷片施加交变电场时 压电陶瓷片产生形变即振动 如果振动频率在音频范围内就会发出声音 应用此特性制造谐振器 滤波器等电子元件 41 压电陶瓷变压器 升压型 42 1 原理 超声波产生和接收发射和接收超声波的器件 压电陶瓷在发射压电陶瓷上加交变电压 则产生纵向机械振动 产生超声波 逆压电效应 接收压电陶瓷接收到超声波后 产生电信号 正压电效应 超声波单色性好 方向性强 波长较短 故用超声波作声源 声速测量精确度较高 三 超声测速 2 声速原理V f f 声源振动频率 直接由函数发生器读出 声波波长 驻波振幅极值法和相位比较法测量 43 机械能在日常环境中普遍存在 与其它能量相比便于利用 因此机械发电器是目前研究较多的一种环境能量收集方案 根据能量转换得机械结构 可以将其分两类 第一类就是利用质量块的振动或位移来将机械能转换为电能 或者称之为惯性转换 如 电磁感应 静电效应 第二类结构是非惯性转换 即外界施加的压强被转换为压电材料的弹性能 利用压电效应转换为电能 在机械发电器的研究中 压电转换方式具有很多优点 首先它可以直接产生合适的电压 其次它不像静电转换那样需要初始电压 此外 它没有结构设计限制 从理论上说它的机械阻尼系数可以设计得比较小 同时压电式发电器装置没有电磁干扰等 压电式发电器装置在微电子设备无源化的研究中 压电能量的储存和应用是目前研究的焦点 四 压电发电器 44 压电振荡器 用于加湿机 医疗雾化等领域 45 3 2热释电性 一 概述二 基本原理三 性能参数四 典型的热释电材料五 应用 46 定义 具有自发极化的晶体的自发极化强度随温度改变的现象 这一现象称为热释电效应 当外加电场施加于热释电晶体时 电场的改变会引起晶体温度变化 这种现象称为电卡效应 一 概述 47 产生条件 极性晶体 具有特殊极性方向的晶体 一定是具有自发极化的晶体 且在结构上应具有极轴 所谓极轴 顾名思义是晶体唯一的轴 在该轴两端往往具有不同的性质 且采用对称操作不能与其它晶向重合的方向 有10种含有唯一极轴点群 自发极化是外电场为零时自发产生 晶胞的偶极矩会沿着某一方向排列 即晶胞为高度极化状态的极性晶体 热释电效应产生的条件 极性晶体 自发极化 48 问题 压电体不一定具有热释电性 无应力前总极矩为零 加应力后总极矩不为零 石英晶体 非极性晶体 49 石英晶体 非极性晶体 加热前总极矩为零 加热后总极矩为零 非极性晶体无热释电现象 无极轴 50 压电体不一定是热释电体 因为温度变化引起的晶体膨胀无方向性 非极性晶体不会产生剩余偶极矩 不具有热释电效应 应力也会改变粒子间的距离键角 使晶体自发极化强度改变 热释电晶体总是压电体 热释电效应 热释电晶体除了由于机械应力作用引起压电效应外 还可以由于温度变化时的热膨胀作用而使其电极化强度变化 引起自由电荷的充放电现象 压电与热释电区别联系 51 二 基本原理 自发极化的晶体是一个永久带电体 自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽 束缚电荷建立的电场被抵消 温度变化时 晶体的总电矩发生改变 使束缚在表面的自由电荷层释放掉 晶体呈现带电状态或在闭合电路中产生电流 52 热诱导的电偶极子在平衡轴附近的随机摆动 在某一确定的温度下 电偶极子自发极化形成的总的平均强度是不变的 因此 热释电没有输出 热释电材料的温度升高 电偶极子剧烈的摆动 摆角增加 总平均自发极化降低 感生电荷量也减少 释放自由电荷 放电 热释电材料被冷却 电偶极子更小的角度范围内摆动 自发极化将增强 感生电荷量也增加 充电 热释电效应的强弱由热释电系数来表示 假设这个晶体的温度均匀地改变了一个小量dT 则极化强度P的改变为 热释电系数 Pi是热释电系数 是一个矢量 大多数晶体的自发极化随温度增加而下降 热释电系数为负值 温度升高 热运动倾向于干扰晶体中电矩的有序取向 使固有极化强度减小 一些材料的热释电系数 若晶体均匀受热 且在此过程中受到机械夹持 从而几何尺寸不变 此时自发极化的改变为第一类热释电效应 自发极化改变量与温度改变量间的比例系数称为第一热释电系数p1 若晶体均匀受热 无机械夹持 此时晶体受热膨胀 出现压电效应并叠加到第一类热释电效应上 这一附加的热释电效应称为第二热释电效应 对应的第二热释电系数p2热释电效应是第一和第二热释电效应之和 热释电效应的分类 56 若晶体非均匀受热 则晶体中会产生附加的应力梯度 这应力梯度通过压电效应改变电极化并叠加于第一热释电效应上 这种因非均匀加热引入的附加热释电效应称为第三热释电效应 由于第三热释电效应通常很小 往往可以忽略 热释电晶体分类 第一类自发极化方向不随外加电场作用而转向 第二类自发极化可随外加电场的作用而转向 即铁电体 57 性能参数 电压响应优值 探测度优值 p为热释电系数 C为材料体积热容 由上公式看出 为提高热释电探测器探测性能 选择热释电材料时 要求 具有较大的热释电系数 较低的介电常数 介电损耗和热容 三 热释电探测器 原理 外界辐射功率被热释电探测器吸收后 热释电探测器的敏感元材料的温度发生变化 引起热释电敏感元件材料的自发强度改变 在它的表面产生感应电荷的变化 于是在外回路中就获得了与输入辐射功率成比例变化的电信号 58 常用的材料有 1 无机热释电材料 钙钛矿型氧化物 单晶 LiNbO3 LiTaO3等 压电陶瓷 PT PbTiO3 及其掺杂改性材料PZT Pb ZrxTi1 x O3 及其掺杂改性材料PMN Pb MgxNb1 x O3 BST BaSr TiO3 SBN BaSr NbO3 等 2 有机热释电材料 聚偏氟乙烯 PVDF 四 典型热释电材料 59 民用 可用作机械和工业生产过程监控 安全监视 防火报警 非接触式快速测温 红外热成像 变频空调自动控制 车辆及飞枧的自动驾驶辅助装置 疲物及污染物检测和医疗诊断等 五 热释电材料应用 军事 用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件 可用于空中与地面侦察 入侵报警 战地观察 火情观测 医用热成像 环境污染监视以及其他领域 60 光辐射的光谱范围 紫外光波段 0 1 0 38um可见光波段 0 38 0 78um红外光波段 0 78 300um 热释电红外传感器 人体皮肤温度在37 时 大约有32 辐射能量在8 12um波段范围 仅有1 的辐射能量在3 2um波段内 人体辐射探测常是安全和军事信息的重要任务 在医学诊断上也有重要价值 62 当人体进入检测区 人体都有恒定的体温 一般在37度左右 会发出10 m左右特定波长的红外线 红外人体探测传感器就是靠探测人体发射的红外线而进行 红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件 这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡 向外释放电荷 经检测处理后就能产生报警信号 63 相关概念基本特性典型的材料和应用 3 3铁电性 64 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 或 罗息尔电性 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 一 概念 65 铁电体 ferroelectrics 是热释电的一个亚类 其定义是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以在外电场作用下改变方向的晶体 由于自身结构的原因 铁电体同时具有压电性和热释电性 此外一些铁电晶体还具有非线性光学效应 电光效应 声光效应 光折变效应等 铁电体这些性质使它们可以将声 光 电 热效应互相联系起来 成为一类重要的功能材料 问题 为何铁电体是热释电的一个亚类 具有热释电的晶体不一定能够实现铁电性质 66 自发极化的微观机制 极性轴导致的自发极化热运动引起的自发极化 由极性轴引起自发极化的晶体 这种晶体的内部电场很强 外电场的作用并不能改变晶体的极化强度 也不能改变其方向 所有质点的偶极矩都平行 大部分是一个电畴 大都为单畴体 电畴是具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域由热运动引起自发极化的晶体 一般有两个或多个可能的取向 为多畴体 在电场下可重新定向 这类晶体具有铁电性 67 在热释电晶体中 高度的自发极化状态 极化强度P一般很高 外场很难改变其方向 只有少数可在外电场下重新定向 显示铁电性 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 两种 90 畴壁和180 畴壁 68 铁电性 压电性 热释电性的关系 一般电介质 压电体 热释电体 铁电体存在的宏观条件 铁电体判据 外电场使极化强度重新定向 电滞回线 69 二 基本特性 铁电体的基本特征 具有电滞回线 具有结构相变温度 居里点 具有临界特性铁电体重要的特征 电滞回线 电滞回线表示铁电晶体中存在电畴 它是铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹 在强电场作用下 使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转 电滞回线存在的原因 电畴 70 电滞回线 P随外加电场强度E的变化轨迹 A B C B D F G H K C 变化过程 使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电场强度 矫顽场 饱和极化强度Ps剩余极化强度Pr矫顽电场强度Ec 71 居里点 结构相变温度 当温度高于某一数值时 由于热扰动 自发极化变为零 晶体将不再具备铁电性 这一临界温度就称为居里温度Tc 顺电相与铁电相高温下 对应相的结构对称性高 不具自发极化和铁电性 称为顺电相 低温下 对应相的结构对称性低 能产生自发极化和铁电性 称为铁电相 在居里点以下 由于存在自发极化 晶体为铁电相 居里点以上 材料为顺电相 72 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 BaTiO3的例子 120 0 5 90 9 73 按晶体结构与自发极化的关系 含氧八面体铁电体含氢键铁电体含氟八面体铁电体含其他离子基团铁电体铁电聚合物和铁电液晶按性质与温度的关系 正常铁电体弛豫铁电体 三 经典材料与应用 74 弛豫铁电陶瓷 又称电致伸缩陶瓷 是铁电材料大家族中的一重要分支 相变不是发生于一个温度点 而是发生于一个温度区间 介电常数高 10000 40000 相对低的烧结温度 1200 电致伸缩效应大 L L达10 3 剩余极化小 电致应变滞后小 容温变化率低 10 1 弛豫铁电体 75 应用举例 铁电材料光致伸缩效应 光致伸缩 光电效应 压电效应 76 应用举例 铁电电光效应 电控双折射 77 应用举例 铁电电光效应 电控光散射 电控光散射原理示意图 78 影响材料压电及铁电性的因素 一 化学成分 二 晶粒间界 其影响与电畴翻转 晶界空间电荷等有关 三 预极化条件 1 极化电场 下限是矫顽场强 上限是饱和场强 2 极化温度 以上两者均随着温度的升高而降低 3 极化时间 为了充分极化 让极化充分发挥出来 79