《先进陶瓷材料及进展》 第8章铁电压电陶瓷.ppt
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1、第八章第八章 铁电压电陶瓷铁电压电陶瓷8.1 8.1 压电陶瓷压电陶瓷重点掌握的几个概念:重点掌握的几个概念:l 压电效应压电效应l 预极化预极化l 准同型相界准同型相界l 软性取代软性取代l 硬性取代硬性取代 石英晶体压电模型石英晶体压电模型(a)(a)不受力时;不受力时;(b)(b)x x轴方向受力;轴方向受力;(c)(c)y y轴方向受力轴方向受力 当外力当外力F=0时,压电陶瓷表面存在一层表面电荷,其时,压电陶瓷表面存在一层表面电荷,其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等,符号与束缚电荷相反,大小与压电陶瓷的束缚电荷相等,符号与束缚电荷相反,因而晶体对外不显示电性。因而晶体对外不显示电性。在外
2、力在外力F的作用下,压电陶瓷产生形变,晶体的极化强的作用下,压电陶瓷产生形变,晶体的极化强度发生变化,因而表面束缚电荷变化,晶体对外显示电性度发生变化,因而表面束缚电荷变化,晶体对外显示电性压电效应。压电效应。在压电陶瓷上加上电场,设电场方向与极化方向相同,在压电陶瓷上加上电场,设电场方向与极化方向相同,则晶体的极化加强,晶体沿极化方向伸长,产生了形变则晶体的极化加强,晶体沿极化方向伸长,产生了形变逆压电效应。若加上反向场强,则晶体沿极化方向缩短;逆压电效应。若加上反向场强,则晶体沿极化方向缩短;若加上交变电场,则晶体产生振动。若加上交变电场,则晶体产生振动。晶体具有压电性的必要条件是晶体不具
3、有对称中心。所有铁电单晶都具有压电效应。对于铁电陶瓷来说,虽然各晶粒都有较强的压电效应,但由于晶粒和电畴分布无一定规则,各方向几率相同,使P=0,因而不显示压电效应,故必须经过人工预极化处理,使P 0,才能对外显示压电效应。陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性,所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。(a)极化前极化前电致伸长电致伸长(b)预极化后预极化后E剩余伸长剩余伸长(c)预极化后撤出外场预极化后撤出外场陶瓷的预极化示意图陶瓷的预极化示意图压电材料分类:压电单晶压电陶瓷压电聚合物压电复合材料 压电陶瓷的晶体结构:1.钙钛矿结构2.钨青铜型结构3.铌酸锂型结构4.铋层状结构 1.钙钛矿结构ABO3:A
4、:1,2,3Na,K,Ba2+,La3+B:5,4,3Nb5+,Ti4+,Fe3+2.钨青铜型结构BO6氧八面体以顶角相连构氧八面体以顶角相连构成骨架。成骨架。B离子为离子为Nb、Ta、W等。等。BO6骨架间存在三种空隙:骨架间存在三种空隙:A1(较大)、(较大)、A2(最大)、(最大)、C(最小)(最小)氧八面体中心因所处位置的氧八面体中心因所处位置的对称性不同可能为对称性不同可能为B1和和B2填满型与非填满型。填满型与非填满型。钨青铜结构在(钨青铜结构在(001)面上的投影面上的投影3.铌酸锂型结构顺电相顺电相铁电相铁电相氧八面体以共面形式重氧八面体以共面形式重叠叠Li位于氧八面体的公共位
5、于氧八面体的公共面面Nb位于氧八面体中心位于氧八面体中心极化时,极化时,Li,Nb偏离中心偏离中心位置,沿位置,沿c轴出现电偶极轴出现电偶极矩矩4.铋层状结构Bi4Ti3O12铅基压电陶瓷铅基压电陶瓷1.单元系2.二元系3.三元系单元系单元系1.PbTiO3l钙钛矿结构铁电体,钙钛矿结构铁电体,Tc高,高,480。l各向异性大(各向异性大(c/a1.063),晶界能高,难以制备致密、),晶界能高,难以制备致密、机械强度高的陶瓷。机械强度高的陶瓷。l矫顽场强较大,预极化困难。提高极化温度有利于极矫顽场强较大,预极化困难。提高极化温度有利于极化,但抗电强度下降,易击穿。化,但抗电强度下降,易击穿。
6、l掺入少量稀土、掺入少量稀土、NiO、MnO2等,可促进烧结。等,可促进烧结。l晶粒大小与机电耦合系数晶粒大小与机电耦合系数k有关。有关。BaTiO3系与系与PbTiO3系压电陶瓷系压电陶瓷自自从从18421843年年之之间间美美、日日、苏苏联联学学者者各各自自独独立立发发现现BaTiO3中中存存在在异异常常的的介介电电现现象象,1847年年又又发发现现预预极极化化后后的的BaTiO3陶陶瓷瓷的的压压电电性性能能,并并制制成成压压电电元元件件用用于于拾拾音音器、换能器;器、换能器;二二战战期期间间,BaTiO3成成功功用用于于水水声声及及电电声声换换能能器器、通通讯讯滤滤波波器器上上,在在很很
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