压电铁电材料资料.pptx

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6.1.1.1压电效应的表征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。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τ1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Q1，并发现表面电荷密度σ1与作用应力τ1成正比，即σ1∝τ1，写成等式σ1=d11τ1，其中τ1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d11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D1=σ1，故当石英晶体Z方向受到正应力τ3作用时，在X方向的冲击检流计无电荷效应，故由式(6-6)可知，d15=d16=0。前两式中的切应力τ4、τ5、τ6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方向上电位移通过实验发现，对于α-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6.1.1.2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。6.1.2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。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6.1.2.2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。图6-8正氧八面体及其二重、三重和四重对稚轴(B)铌酸锂型铁电体这类铁电体有LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3等。LiNbO3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6-10LiNbO3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KH2PO4(KDP)、RbH2PO4、KH2AsO4、C3H2AsO4，反铁电体有NH4H2PO4。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PO4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PO4；两个a面和两个b面上各有一个PO4。K原子排列方式同PO4，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。PO4四面体的每个顶点氧原子都通过氢键与另一PO4四面体相联系。图6-12中只画出与体心PO4四面有关的四个氢键。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