电功能、电介质陶瓷培训课件：性能要求、绝缘机理、常见绝缘材料、压电陶瓷.ppt

化学分子式通式：ABO3，A代表2价或1价的正离 子，B代表4价或5价的正离子。 相应的离子在晶胞中排列位置相同，A离子位于 六面体的顶角上，O2-位于六面体的6个面心，B离子 位于六面体的中心。 钙钛矿型结构 氧八面体的中央被1个较小的B离子占据，而另一个 较大的金属离子A则位于8个氧八面体的间隙中。 氧八面体结构 由于正负离子之间的互相 吸引，使得各离子尽可能 紧密地堆积在一起，如果 把不同的离子看成是一些 半径不同的小球，整个晶 体可以认为是由许多有规 律排列的离子球紧密堆积 而成。 钙钛矿结构的离子堆积模型 形成钙钛矿型结构的条件 A离子 半径? B离子 半径? O2-离子 Na+ Ag+ K+ Rb+ Cs+ 0.94 1.26 1.33 1.47 1.67 V5+ Nb5+ Ta5+ 0.59 0.69 0.68 1.40? Cd2+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Pb2+ Ba2+ 0.97 0.78 1.06 1.27 1.32 1.43 Ti4+ Sm4+ Zr4+ Ce4+ Th4+ 0.68 0.71 0.78 0.79 0.94 1.02 A离子半径与氧离子半径相近， 而B离子半径远小于氧离子半径。 居里温度Tc：发生相变的温度。对于压电陶瓷， Tc以上，无压电效应；Tc以下，存在压电效应。 晶体结构随温度的变化 BaTiO3晶格常数随温度的变化 T＞120℃时，立方晶系 a=b=c=4.0009?； T＜120℃时，四方晶系 a=b＜c，c轴伸长，a、b 轴缩短； T=120℃，晶格发生突变。 不同材料制成的压电陶瓷，甚至同一种材料含不同 杂质时，居里温度Tc不同。 PbTiO3晶格常数随温度的变化 Tc=490℃ 在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重 合，形成偶极矩，呈现极性。这种在无外电场作用 下存在的极化现象称为自发极化。 3. Spontaneous Polarization (a)立方晶相时，正负电荷中心重合，不出现电极化 (b)四方晶相时，正负电荷中心不重合，出现平行于c轴的电极化 钛酸钡晶胞的自发极化 立方相时，O2-和Ti4+直径之和小于晶胞边长，即氧八 面体中间空隙大于Ti4+的体积， Ti4+可能偏离其中心 位置。由于晶胞对称性高，Ti4+在立方体内六个方向 偏离中心的机会相同，对中心偏离的平均结果为零。 四方晶相时，a=bc， O2-和Ti4+直径之和(4.00?)与 a/b数值相近，但小于c，因此，沿c轴方向偏离其中 心位置的机会远大于其沿a或b轴方向偏离的机会， 晶胞在c轴方向产生正负电荷不重合，即电极化。该 极化不是外加电场产生的，是晶体内因产生，因此 称为自发极化。 极化方向：负电荷中心指向正电荷中心。 当晶胞沿a轴和b轴收缩时，把上、下底面中心的两个O2- （O上和O下）挤出Pb2+中心所在平面。另外4个O2-（前后左 右）则因c轴有所伸长，不会被挤出Pb2+所在平面。当上 下O2-向下挤出时，O上离子与Ti4+距离缩短，O下离子与Ti4+ 距离伸长，Ti4+受到O上的作用大于O下的作用，因而向上 位移，晶胞出现极化。 四方晶系PbTiO3晶胞的离子位移 立体图（没画铅离子） 沿a轴方向投影 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,称为电畴。两个畴之间的界面称为畴壁。 4. 电畴和电畴运动 四方晶相的畴壁示意图 四方晶相时自发极化取向只能与原立方晶相的三个晶轴 之一平行，相邻的两个电畴中的自发极化方向只能成900 或1800角。相应电畴的界面分别称为900或1800畴壁。 PZT陶瓷中电畴结构的电子显微照片(×26000) 电畴结构只有在居里温度以下 才会出现，居里温度以上时， 各晶胞都变为立方相，自发极 化消失，电畴结构也消失。 在一块多畴的晶体上加足够高的直流电场时，自发极化方向和电场方向一致的电畴会不断增大，而自发极化方向和电场方向不一致的电流则不断减小，最后整个晶体由多畴变为单畴，自发极化方向与电场方向一致，这种电畴变化过程称为电畴转向。 电畴运动 压电陶瓷——极化 图(a):无外电场作用时，各电畴在晶体上杂乱分布，极化效应相互抵消，原始的压电陶瓷内极化强度为零。 图(b):极化处理后，各晶粒自发极化在一定程度上按原电场方向取向，陶瓷内极化强度不再为零，称为剩余极化强度。 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 压电陶瓷中的电畴在极化处理前后的变化 假设整个晶粒的形状是一个立方体，如图(a)。当温度降到Tc以下，其转变为四方晶相，并出现电畴，晶粒变为一长方体，如图(b)。如果晶粒中形成1800畴壁，如图(c)，则晶粒大小与图(b)相同。如果