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《6.2.鐵電陶瓷+》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
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