第六节 压电材料-2
+ 压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子
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第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数
1、机械品质因素
压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。
压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
73
21
30
10
G压a电Sb陶等瓷：BaTiO3, PbTiO3
第3页/共33页第六节 压 Nhomakorabea材料-5
五、压电材料的应用举例
1、水声换能器 水中声纳=空中雷达 实现水中电能与声能的相互转化
2、压电超声换能器
利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用 于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等
二、热释电效应机制
电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和 氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛 子筛洒加热后的电气石，它们将分别 覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。
电气石是一种具有固有极化的晶体
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
ps T
为热释电系数；P
为自发极化强度；T
s
为温度
晶体中存在热释电效应的前提
具 有 自 发 极 化 ， 即 晶 体 结 构 的 某些方向正负电荷重心不重合。
不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其
他极化轴不同的唯一极化轴
石英晶体不产生热释电效应示意图
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第七节 热释电材料-2
三、热释电材料
1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4·H2O, ZnO
QP AB It QP称为珀尔贴热 ；AB 为材料A与材料B的相对珀尔贴系数
珀尔贴热QP与焦耳热QJ的区分： （QP+QJ）- （-QP+QJ）=2QP （QP+QJ）+（-QP+QJ）=2QJ
QP+QJ
-QP+QJ
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第八节 热电材料-5
3、汤姆逊（Thomson）效应 具有温度梯度的一段均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象
3、压电点火器
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形 成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、 炮弹，及用于压电高压发生器。
4、石英电子表
其他：拾音器、蜂鸣器、 流量计、计数器等
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第七节 热释电材料-1
一、热释电效应 晶体因温度变化而引起晶体表 面电荷的现象称为热释电效应
通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。
尽第你7页所/共能3，3页想出或查出检测极化电荷分布的方式
第八节 热电材料-1
热电材料：把热能转变为电能的材料 一、热电效应
1、塞贝克（Seebeck）效应
两种不同的导体构成闭合回路，若使其 结点出现温度差，则闭合回路中就会有 电流流动，此现象为热电效应，相应的 电势称为热电势。
Qm
2
Wm Wm
Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；△W为每振动周期内单位体 积损耗的机械能
Qm与振动模式有关，如压电振子的形状、振动的晶体学方向、振动频率等
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第六节 压电材料-4
2、机电耦合系数 机械能转变的电能
k 输入的机械能
(正压电效应)
或
转化的机械能 k 静电场下输入的电能
特点：自发极化不能为外电场转向 铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等
特点：自发极化能为外电场转向
2、 有机高聚物晶体
例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄 膜 四、热释电材料的应用
1938年首先用于红外探测器
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030923
第七节 热释电材料-3
红外探测器原理：
Q表示晶体表面的电荷面密 度，P为自发极化强度，T为 温度，则
dQ dP dt dt
设两极板面积为A，负载电 阻为R，则热释电电压为：
热释电红外探测器原理
V
Ri
R
d ( AQ ) dt
AR
dP dt
AR
dP dT
dT dt
ARPi
dT dt
Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-4~10-6C/(cm2·K)
例：若T1>T2, 电流逆时针流 动；反之，顺时针流动
若温度差较大，一般有：
V aT bT 2 cT 3
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第八节 热电材料-4
2、珀尔贴（Peltier）效应 两种材料的接触点通以电流时，会产生吸热或放热现象。
基本规律：
•电流反向时，吸热或放热特性也改变； •单位时间内产生的热量与通过的电流成正比：
T0
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第八节 热电材料-2
基本规律： 均质导体定律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成 分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势 中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种 金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响 中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某 一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变 定量描述： 规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。 即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有
△VAB 与∝△T
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第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： 则：△VAB=SAB·△T
S AB
lim Vab T 0 T
称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数
一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：
Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi
(逆压电效应)
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上
四、压电材料种类
晶体：石英、铌酸锂(LiNbO3)、 材料 碘酸锂等
罗息盐 钛酸钡 PZT 水晶
介电常数 350
1700 1200 4.5
半 导 体 ： CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs,
机电耦合系 数/%