6.2.鐵電陶瓷+

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1、鐵電性的基本概念鐵電陶瓷鐵電瓷的改性機(jī)理鐵電瓷的老化與疲勞現(xiàn)象鐵電陶瓷材料確定原則6.2鐵電材料重點(diǎn)掌握的幾個(gè)概念：自發(fā)極化剩余極化矯頑場(chǎng)鐵電體電滯回線電疇鐵電陶瓷極板上的電荷密度：靜態(tài)介電系數(shù)：電介質(zhì)的極化后：ε：反映了極板間電介質(zhì)性質(zhì)C：極板電容6.2.1基本概念電介質(zhì)VQQ’電偶極子：由大小相等、符號(hào)相反、彼此相距為l的兩點(diǎn)電荷(+q、-q)所組成的束縛系統(tǒng)，稱為偶極子，l+q-q電偶極矩：表示微觀上質(zhì)點(diǎn)在外電場(chǎng)的極化情況。極化率：表示單位電場(chǎng)作用下的電偶極矩。Eloc：作用在粒子上的有效電場(chǎng)

2、，包括外加宏觀電場(chǎng)，周圍極化質(zhì)點(diǎn)對(duì)其作用的微觀電場(chǎng)。a:表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)。極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的電偶極矩矢量總和稱為極化強(qiáng)度，用P表示。表明電解質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下的極化程度感應(yīng)式極化電子位移極化離子位移極化PE電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施加電場(chǎng)呈正比：P=?o（?r-1）Ee=?o?E——直線性關(guān)系自發(fā)極化：無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，晶體的正負(fù)電荷中心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩的現(xiàn)象不依賴于外加電場(chǎng)，且外加電場(chǎng)能使極化反轉(zhuǎn)——非線性關(guān)系?????????????°°??°BAO鐵電體(ferroel

3、ectric)：具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向能隨外場(chǎng)改變的晶體。它們最顯著的特征，或者說(shuō)宏觀的表現(xiàn)就是具有電滯回線。電滯回線(hysteresiscurve)：鐵電體在鐵電態(tài)下極化對(duì)電場(chǎng)關(guān)系的典型回線。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)：電疇在晶體中分布雜亂無(wú)章，使整個(gè)晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。電疇：在鐵電體中，固有電偶極矩在一定的子區(qū)域內(nèi)取向相同的這些區(qū)域就稱為電疇或疇。疇壁：疇的間界。外電場(chǎng)作用時(shí)：沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加，一直到整

4、個(gè)結(jié)晶體成為一個(gè)單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。無(wú)外加電場(chǎng)有外加電場(chǎng)電疇：在鐵電體中，固有電偶極矩在一定的子區(qū)域內(nèi)取向相同的這些區(qū)域就稱為電疇或疇。疇壁：疇的間界。無(wú)外加電場(chǎng)有外加電場(chǎng)鐵電體的電滯回線OA：電場(chǎng)弱，P與E呈線性關(guān)系A(chǔ)B：P迅速增大，電疇反轉(zhuǎn)B：極化飽和，單疇BC：感應(yīng)極化增加，總極化增大CBD：電場(chǎng)減小，極化減小OD：電場(chǎng)為零，剩余極化PrOE：自發(fā)極化PsOF：矯頑場(chǎng)Ec電滯回線的形成與電疇的反轉(zhuǎn)有關(guān)P總＝P感＋Ps電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施

5、加電場(chǎng)呈正比：P=?o?eE電疇的觀測(cè)：電子顯微鏡TEM原子力顯微鏡AFM液晶法化學(xué)腐蝕法粉末沉淀法X射線形貌術(shù)光的雙折射180°疇90°疇納米薄膜中的電疇的AFM照片鐵電芯晶粒順電殼晶粒殼－芯晶粒陶瓷晶粒電疇的TEM照片鐵電體晶體中存在多個(gè)電疇由能量最低原理，相鄰電疇內(nèi)的偶極矩排列成90°或180°夾角，即電疇的排列方式分為180度電疇（反平行）和90度電疇。鐵電陶瓷：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化能為外電場(chǎng)所轉(zhuǎn)向的陶瓷稱為鐵電陶瓷。由于其介電系數(shù)高達(dá)103~104，故又稱為強(qiáng)介瓷。其介

6、電損耗偏大，tgδ約為10-2~10-3，適于制作小體積，大容量的低頻電容器。主要是以BaTiO3為基本成分，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多種固溶體。鐵電體熱釋電體壓電體介電體一、BaTiO3的結(jié)構(gòu)與自發(fā)極化二、BaTiO3的介電性能6.2.2陶瓷的鐵電性與鐵電陶瓷一、BaTiO3的結(jié)構(gòu)與自發(fā)極化(1)結(jié)構(gòu)(2)BaTiO3的相變(3)自發(fā)極化產(chǎn)生的原因(4)電疇結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)方式BaTiO3為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，由Ba2+離子與O2-離子一起立方堆積，Ti4+處于氧八面體體心。(1)結(jié)構(gòu)(2)BaTiO3的相變立方四方

7、正交三角立方四方正交三角BaTiO3的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系Ti4+－O2-間距大（2.005A），故氧八面體間隙大，Ti4+離子能在氧八面體中振動(dòng)。T>120℃，Ti4+處在各方幾率相同（穩(wěn)定地偏向某一個(gè)氧離子的幾率為零），對(duì)稱性高，順電相。T<120℃，Ti4+由于熱漲落，偏離一方，形成偶極矩，按氧八面體三維方向相互傳遞，耦合，形成自發(fā)極化的小區(qū)域，即電疇。(3)自發(fā)極化產(chǎn)生的原因BaTiO3的自發(fā)極化起因在于鈦離子的位移BaTiO3單晶的Ps與溫度的關(guān)系T1T2TcA：90°疇壁（6~10nm）

8、B：180°疇壁（0.4nm）E≠0A4A3A1A2B1B2E＝0(4)電疇結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)方式四方BaTiO3中的180°與90°疇壁在外電場(chǎng)的推動(dòng)下，電疇會(huì)隨外電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外加電場(chǎng)足夠強(qiáng)，電疇將盡可能地統(tǒng)一到外電場(chǎng)一致的方向。180°疇不產(chǎn)生應(yīng)力（因自發(fā)極化反平行，晶體的形變是同一維）。90°疇使晶體內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力。二、BaTiO3的介電性能(1)介電常數(shù)ε與溫度T的關(guān)系BaTiO3單晶（單疇）的ε與T的關(guān)系（按四方晶系的a軸和c軸測(cè)量）在－80,0,120℃出