《高分子结构与性能》研究生课程教学课件（讲稿）聚合物压电、热电和铁电性能

聚合物铁电、压电和热电性能

聚合物铁电、压电和热电性能

铁电体的定义是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。铁电体的两个主要特点是：一是具有电滞回线，另一个是具有许多电畴铁电晶体内自发极化一致的区域称为电畴。铁电体中一般包含着多个电畴。两个相邻电畴自发极化间的夹角可以为180°或90°，分别称为180°畴和90°畴。铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向，电位移失量与电场强度间的关系呈电滞回线特征

2 铁电体的定义是指在某温度范围内具有自发极化且极化强 度可以因外电场而反向的晶体。 铁电体的两个主要特点是：一是具有电滞回线，另一个是 具有许多电畴。 铁电晶体内自发极化一致的区域称为电畴。铁电体中一般 包含着多个电畴。两个相邻电畴自发极化间的夹角可以为 180˚或90˚ ，分别称为180 ˚畴和90 ˚畴。 铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下， 自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电 滞回线特征

铁电体的主要特征电回线Hysteresisloop·电畴结构Domainstructure居里温度CurietemperatureTo介电反常Dielectricanomaly

3 • 电滞回线 Hysteresis loop • 电畴结构 Domain structure • 居里温度 Curie temperature Tc • 介电反常 Dielectric anomaly 铁电体的主要特征

1.铁电体的电滞回线电滞回线是铁电体的一个特征。它是铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹singleall dornainslargealigneddomainPs饱和极化Psdomains cominginto alignmentPPr剩余极化Ec矫顽电场-EcEcE-Prno netalignment-Psof domains

4 1. 铁电体的电滞回线 电滞回线是铁电体的一个特征。它是铁电体的极化强度 P随外加电场强度E的变化轨迹。 • Ps 饱和极化 • Pr 剩余极化 • Ec 矫顽电场

Hysteresis vs. domain movementDomainmovementPolarization8P=0P= +PsVoltage+VcP= +PrP= -PsP= -PrDomain:the region whichhasthe same polarityVc(CoerciveVoltage):the voltage where the net polarization is zero

5 Polarization Voltage +Vc Pr Ps F C D B A D F A C B Domain movement P = -Pr P = 0 P = +Ps P = +Pr P = -Ps Domain : the region which has the same polarity Vc (Coercive Voltage ) : the voltage where the net polarization is zero Hysteresis vs. domain movement

Ferroelectrics hysteresis loops·电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴电畴，所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，与电畴之间的边界称为畴壁铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同的方向

6 • 电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线 性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。 • 极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电 体中存在电畴。 • 所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，电畴 与电畴之间的边界称为畴壁。 • 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同 的方向。 Ferroelectrics hysteresis loops

2、电畴ferroelectric domain铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，电畴与电畴之间的交界称为畴壁两种重要的畴结构：90°畴壁180°畴BB四方结构的90°畴壁和180°畴壁

7 2、 电畴 ferroelectric domain 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，电畴与电 畴之间的交界称为畴壁 两种重要的畴结构：90°畴壁180°畴

Ferroelectric domains(a)(b)(a)180°畴(b)90°畴(a)(b)四方BaTi0，中的90°畴壁（a）与180°畴壁（b）图6.2.4-

8 Ferroelectric domains

无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止

9 无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体 表现为电中性，宏观上无极性。 外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴 消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加 电场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化 畴为止

3、压电效应piezoelectriceffect某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。反之，在某些材料上施加电场，会产生机械形变，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大正压电效应力一形变一电压电压→形变逆压电效应10

10 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的 现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效 应。 反之，在某些材料上施加电场，会产生机械形变，而且 其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作 伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。 3、 压电效应 piezoelectric effect 力→形变→电压 正压电效应 电压→形变 逆压电效应