第3章压电题库.pptx

第三章 压电材料;教学目标及基本要求;教学重点和教学难点;第三章 压电材料 ;3.1 压电效应的机理 ;由图3－1(b)可见，由于石英晶体不存在对称中心，当给晶体施加压力时，晶体内部将产生极化。由原来P=0的状态，变成有极化强度P的状态，表现为产生一电场。 如果晶体存在对称中心的话，即使晶体发生形变后仍保持极化强度为零，就不会产生压电效应（图3－1(a) ）。因此，只有那些原胞无对称中心的物质才有可能产生压电效应。 晶体共有32个点群，也就是按对称性分为32类。其中20类是非对称中心的，它们可能具有压电效应。但是，无对称中心只是产生压电效应的必要条件，而不是充分条件。因此，只有ADP、KDP和α-石英、罗息盐等少数几种晶体才具有压电效应。 所有铁电晶体同时具有压电性，但压电晶体不一定具有铁电性。;图3－2 压电效应机理示意图;石英压电效应的机理;;;一、弹性模量 二、压电常数 三、机电耦合系数 四、介电常数 五、介电损耗：导电和极化驰豫过程;一、弹性模量 压电晶体是弹性体，服从于胡克定律：在弹性限度内，应力与应变成正比。对于三斜晶系（21个独立元）、正交晶系（9个独立元）、立方晶系（3个独立元）等不同晶系有不同的弹性模量。 压电晶体具有压电效应，因此，在不同电学条件下有不同的弹性模量。 在外电路的电阻很小时，即相当于短路条件下测得的，称为短路弹性模量。 在外电路的电阻很大时，即相当于开路条件下测得的，称为开路弹性模量。 ;二、压电常数 压电常数：极化强度和应变之间的关系常数。 当压电材料产生正压电效应时，施加应力将产生额外电荷，发生极化，其极化强度P和应变之间的关系可用压电（应力）常数与沿x、y、z轴的应变和切应变的方程来表示，其中18个系数eik被称为压电（应力）常数。 其极化强度和应力的关系可用压电（应变）常数与沿x、y、z轴的应力和切应力的方程来表示表示，其中18个系数dik被称为压电（应变）系数。 压电常数eik和压电系数dik都是压电效应的重要特征值。;逆压电效应与电致伸缩效应不同。电致伸缩效应是指在外电场作用下，任何电介质都会发生尺寸变化，即产生应变，是液、固、气电介质一般都具有的性质。而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体中。此外，电致伸缩效应的形变与电场方向无关，与电场强度的平方成正比，而逆压电效应的形变是随电场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。 对于国际单位制有;三、机电耦合系数 机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的一个很重要参数。通过测量机电耦合常数可以确定弹性、介电、压电等参量，即使介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为： k=机械能转变的电能/输入的机械能（正压电效应） k=电能转变的机械能/输入的电能（逆压电效应） 机电耦合系数k是一个无量纲的物理量，是压电材料机械能和电能相互转换能力的量度。它并不代表转换效率，因为它没有考虑能量损失，是在理想情况下，以弹性能或介电能的存储方式进行转换的能量大小。 ;四、介电常数 介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质），通常用ε表示，单位是F/m 。 当压电材料的电行为用电场强度E和电位移D作变量来描述时，则有： D=εE或ε=D/E 有时也使用相对介电常数εr（反映电介质极化的能力），它与介电常数的关系为ε/ε0，ε0为8.85×10-12F/m，相对介电常数是无量纲的物理量。 对于压电陶瓷片，可用下式计算介电常数： ε=Cd/A 式中：C为电容（F）；d为电极距离（m）；A为电极面积（m2）。;五、介质损耗 电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括：①由样品的几何电容的充电所造成的电流；②由各种介质极化的建立所造成的电流；③由介质的电导（漏电）造成的电流。 第一种电流简称电容电流，不损耗电流；第二种电流引起的损耗称为极化损耗；第三种电流引起的损耗称为电导损耗。 极化损耗主要与极化的驰豫（松弛）过程有关。;图3－3 介质的驰豫过程 ;图3－4 交流电路中电流电压矢量图 ;3.3 压电材料的种类和应用 ;二、压电材料的应用和发展趋势 压电材料已广泛应用于电子学和传感器领域。石英、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅等用得最多。 压电材料的发展趋势为： ①研究压电材料的结构和性能的关系。 ②研究各向异性压电陶瓷。 ③研究特优性能的压电材料。 ④研究耐高温高压压电材料。 ⑤研究复合压电材料及其应用。 ⑥研究新型压电高聚物。 ⑦研究开发生物压电高分子，探索制作分子压电器件的可能性。;;MLCC样品;;;适合MLCC的介质材料;;MLCC用Nano-BaTiO3关键技术问题