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1、第十一章,功能转换材料,第一节 压电材料,一.压电效应及其产生机理某些电介质晶体，在受到外加机械力的作用，处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值的大小与应力的大小成正比，其符号取决于应力的方向，这种现象称为正压电效应。反之，当材料在电场作用下，发生电极化时，则会产生应变，其应变值的大小与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向，这种现象称逆压电效应。具有压电效应的材料叫做压电材料，因此，通过压电材料可将机械能与电能相互转换。利用逆压电效应，还可以制造电致伸缩材料。,压电效应,在某些电介质晶体上通过纯粹的机械作用使晶体极化，导致介质两端表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成
2、正比。这种由于机械力的作用而使晶体表面荷电的现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场，将会产生与电场强度成正比的应变或机械应力，这种现象称为逆压电效应。正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的材料就叫压电材料。,晶体的正压电效应机理如图所示,压电材料的机电耦合系数K，,K2,或,二.压电材料的分类,压电材料种类繁多,按其化学组成和形态主要分为压电单晶、压电陶瓷、高分子压电材料和压电薄膜。目前使用的主要有下列几种:压电单晶：压电材料中研究得比较早的是石英晶体，它的机电性能稳定，没有内耗，它在频率稳定器、扩音器、电话、钟表等领域里都有广泛应用。此外，酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂、铌
3、酸锂、碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。其中，使用最多的是铌酸锂(LiNbO3)。压电半导体：常用的有族化合物如 CdS、CdSe、ZnO、ZnS。族化合物如：GaAs、GaSb、InAs等。压电陶瓷：压电陶瓷多晶材料比压电晶体材料更便宜，但易于老化。目前，最常用的压电陶瓷有钛酸钡（是第一个被发现的可以用于制造陶瓷的铁电材料）、钛酸铅、锆钛酸铅（这是PbTiO3和PbZrO3组成的二元固溶体）。高分子压电材料,压电陶瓷的生产工艺,与普通陶瓷工艺相似，同时具有自己的工艺特点。主要工艺流程为：配料球磨过滤、干燥预烧二次球磨过滤、干燥过筛成型排塑烧结精修上电极烧银极化测试。,三应用：,压电材料
4、广泛应用于电子学和传感器领域。水声换能器：利用正、逆压电效应以发射声波或接收声波，来完成水下观察、通讯和探测等。在超声技术的应用：利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强超声波，并以此为动力在超声乳化，超声焊接，超声粉碎等装置上的机电换能装置等。压电点火器：压电开关，引燃、引爆装置，打火机，燃气灶等。电子器件：拾音器、传声器、扬声器等。,压电陶瓷属于无机非金属材料。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位
5、置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置，对塑料甚至金属进行加工。,压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精
6、确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。,谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。,声音转换器 声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制
7、，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。压电引爆器 自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。压电打火机 现在煤气灶上用的一种电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤
8、气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。防核护目镜 核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护自镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。发电,第二节 热释电材料,一.热释电效应在某些电介质晶体中,不加外电场就存在电极化,这种极化强度称为自发极化强度Ps,晶体是否具有自发极化强度,可以由晶体的对称性来判别。在32种
9、对称晶体中,有21种晶体没有对称中心,由于它们在加压时出现极化,因而称为压电晶体。而在21种压电晶体中,有10类晶体具有上述自发极化。具有自发极化的晶体,由于在晶体发生温度变化时,会引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应,这种晶体称为热释电晶体。它反应了晶体的电量与温度之间的关系，可用下式简单表示：psTps自发极化强度，p热释电常数，T温度。由此可见，晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化，即在晶体结构的某些方向上正负电荷的重心是不重和的，而存在电磁矩。,二.热释电材料在32种晶体对称类型中，有10种对称型晶体有热释电效应，分为单晶和陶瓷，它们有可分为两类：具有自发极化，且自发极化不能被
10、外加电场所转向的晶体。如电器石，CaS、CaSe、Li2SO4H2O、ZnO等。通常称之为热释电晶体。自发极化可以被外加电场所转向的晶体。即铁电晶体。如LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3等，这些铁电晶体大多数可以制成多晶陶瓷体，陶瓷体经过强直流电场处理后，能从各向同性体变成各向异性体，并具有剩余极化，就像单晶体一样显示热释电效应。这类材料的热释电系数高，性能稳定加上陶瓷多晶体的制备简单、易加工、成本低、性能易于改性已成为一类很有前途的热释电材料。,目前,热释电材料主要可分为单晶材料(如TGS(硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的TGS)、CdS、LiTiO3、LiNiO3、SBN
11、(铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅)、KTN(钽铌酸钾)等),高分子有机聚合物及复合材料(如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、()(偏二氟乙烯 三氟乙烯共聚物)、四氟乙烯 六氟丙烯共聚物、(聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、(聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅复合)、/()、等)和金属氧化物陶瓷及薄膜材料(如、3、(镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、(钛酸锶钡)、3、(钛酸铅镧)、(锆钛酸铅)、(3()33)、(锆钛酸铅镧)等)。,早期的热释电材料都是些单晶材料。最早的实用热释电材料是硫酸三甘肽()类晶体。晶体具有热释电系数大、介电常数小、光谱响应范围宽、响应灵敏度高和容易从水溶液中培育出高质量的单晶等优点
12、。但它的居里温度较低,易退极化,且能溶于水,易潮解,制成的器件必须适当密封。3晶体材料介电损耗很小、居里温度高、性能稳定,是制作热释电灵敏元的理想材料。金属氧化物陶瓷热释电材料,不易潮解,能通过调整化学计量比、掺杂和对材料微结构进行控制等,在很宽的范围内调整居里温度和热释电性能。一个优秀的热释电材料应具有以下性能:1.能充分吸收入射的红外线。2.吸收单位热能对应较大的温度上升幅度，即材料的比热要小。3.评价热释电的指标正比于热释电系数,反比于介电常数,要求有大的热释电系数和低的介电常数。4.构成器件噪源之一的介质损耗tan要小。5.易加工成薄片,器件灵敏度,探测率()等与厚度成反比,1/2具有
13、较高的居里温度。,三.材料的应用,热释电效应的应用大体可分为两大类。一类是在物理学基础研究中的应用,如确定晶体的非中心对称结构和相变温度,确定晶体中原子(或离子)的相对位移等；另一类是在探测器方面的应用。如热释电红外探测器、热释电测温仪、热释电摄像仪等现在已广泛应用于火焰探测、环境污染监测、非接触式温度测量、夜视仪、红外测厚计与水分计、医疗诊断仪、红外光谱测量、激光参数测量、家电自动控制、工业过程自动监控、安全警戒、红外摄像、军事、遥感、航空航天空间技术等领域。热释电探测器与常规红外探测器相比,具有工作频率范围宽,灵敏度高,适用范围广等优点,广泛应用于军事、卫星测控、银行、电力等部门。,(1)
14、夜视装置。利用热释电探器制作的夜视装置,具有灵敏度高的优点,能够将热源从背景中区分出来,这是热释电材料最早的应用之一。(2)卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。(3)导弹、坦克等的探测器。热释电材料制作的探测器,不需要冷却,可以随身携带,机动使用,在军事上发挥重要作用。此外,由于热释电材料工作频率宽,在沙漠地带可以将生物热源与背景热源区分开,自海湾战争后,美、法等国家已开始装备红外探测装置。(4)银行、保险公司等重要部门的报警器。热释电报警器直接捕捉热源,可以将其转换为图像,避免其它的干扰,并且其灵敏度高,探测角度宽,与传统光学摄像机相比,摄影死角小。(5)应用于电力部门。红外成像
15、技术对诊断发电机(包括火电和水电),封闭母线,开关刀闸,电缆、避雷器、互感器、线路接头以及锅炉、热力管道保温的热故障和潜在故障的显著效果,它为保证安全和经济发展供电起着重要作用。(6)利用热释电晶体的静压电效应,可制作声场校准器,并且可以用作水听器,监测潜艇及水面舰艇的活动情况。,第三节 光电材料,一.光电效应物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化，这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应。光电导效应：物质在受到光照射时，其导电率产生变化的现象。光生伏特效应：如果光照射在半导体的pn结上，则在pn结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极，这种效应称为光生伏
16、特效应。光电发射效应：当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子的能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应。,二.光电材料及应用,1.光电导材料：1）光电半导体：Ge、Si、ZnO、CdS、PbS。2）光电导陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。3）有机高分子光电导体：应用：光探测的光敏感器件材料，红外测温。2光生伏特材料：硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、陶瓷太阳能电池。3光电子发射材料：正电子亲和势阴极材料、负电子亲和势阴极材料。应用：光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。,光电探测材料,光电探测材料是利用光电、电光转换功
17、能进行探测的材料。按探测器工作原理可分为光电导型、光生伏特型等。所用材料一般有族、族、族、族化合物半导体材料、硅元素半导体材料及热释电材料。按探测的光源种类分为紫外探测器材料、可见探测器材料和红外探测器材料。,红外探测器材料,第四节 热电材料,热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料，其主要应用领域包括；利用低品位热能（如工业余热、废热、地热、太阳能等）发电；无污染、无噪声的制冷或制热系统，边远地区或特别行业使用的小型发电装置等。,一.热电效应,热电效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,它包括相互关联的三个效应:Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。1
18、821年,发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck效应。开路条件下的电动势称为温差电动势,亦称为Seebeck电动势：dV=abdTab为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由2流向1,则ab为正,反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。,B,T2T1,PELTIER效应,Peltier效应是在1834年发现,并以他的名字命名的。当两种不同导体组成回路的接点有微小电流流过时,一个接点会放热,另一个接点则吸热。而改变电流的方向,放热和吸热的接点也随之改变。在时间dt内,产生的热量与流经的电流成正比:dQp=abIabdta
19、b为Peltier系数,当电流由a流向b,Iab取正,dQp0,吸热,反之放热。ab的大小与接点温度和组成材料有关。Thomson效应是指当一段存在温度梯度的导体通过电流I时,原有的温度分布将被破坏,为了维持原有的温度分布,导体将吸收或放出热量。Thomson热与电流密度和温度梯度成正比：dQt=Idt(dT/dx)为Thomson系数,符号规则与Peltier效应相同,当电流流向热端,dT/dx0,0,吸热。以上的Seebeck系数ab、Peltier系数ab和Thomson系数,都是表征热电材料性能的重要参量,其相互关系可由Kelvin关系式表述如下:ab=abTa-b=T(dab/dT)
20、众多的研究表明,一种好的热电材料必须具有大的Seebeck系数、小的热导率以及大的电导率,这些性能集中体现于材料的品质因子Z中,Z=2/。,二.热电材料,合金热电材料是最常用的热电材料之一，主要应用于测量温度，制成热电偶，常用的热电偶材料有：铜康铜（60Cu，40Ni）适用于200400。镍铬镍铝（90Ni10Cr95Ni5Al）适用于01000。铂铂铑（Pt13Rh87Pt）温度范围01500。金铁金（Au0.03Fe99.7Au）温度范围10K。应用：热电偶材料：有近300种，广泛应用的有8种。制作热器件：热电器件主要是用作温差发电和制冷。,第五节 电光材料,折射率和双折射介质折射率是指光
21、在真空中速度与在介质中速度之比，相对折射率即介质中的折射率与空气折射率之比用不同波长所测折射率值不同，用5893nm波长的钠光所测的折射率值称为nD值。dnD/dT表示折射率的温度系数，即材料升高1时的折射率增值，它可从不同温度下所测折射率值中算出。由于各向异性，晶体的折射率在不同方向上一般说来是不一样的。对立方晶系晶体，在所有方向上折射率相同即像玻璃等均质体一样只有一个折射率n。对其他晶体，折射率均和方向有关。其中对单轴晶，即属于六方、四方、三方晶系的晶体，有二个主折射率：常光折射率n。和非常光折射率ne，对于双轴晶，即属于正交、单斜、三斜晶系的晶体，有三个主折射率n、n和n(nnn）。光线
22、沿单轴晶或双轴晶晶体的非主光袖方向入射外，都会发生双折射，双折射大小可用n(neno或nn。)来表征。,一.电光效应,物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象统称为电光效应，其中物质的折射率受电场影响而发生改变的电光效应分为波克尔效应和克尔效应。具有电光效应的介质称为电光材料。入射光异常光正常光压电晶体波克耳效应：折射率的变化和电场的强度呈直线关系。naE。它主要是在一些压电晶体中产生，当光电晶体受到光照射并在与入射光垂直的方向加上高电压时，晶体会产生双折射现象，这就是波克耳（Pockels）效应。如果折射率的变化与电场强度的平方成直线关系则称为科尔效应。nbE2。,电光材料,当光电晶体受到光
23、照射并在与入射光垂直的方向加上高电压时，晶体会产生双折射现象，这就是波克耳（Pockels）效应。如果折射率的变化与电场强度的平方成直线关系则称为科尔效应。nbE2。它和波克耳效应的差别除表现在电场与物质折射率的变化成二次方的关系外，还表现在所用的材料不是压电晶体，而是各向同性物质。,二.电光材料,电光材料大部分是晶体，它们主要的用途是用于制作光调制原件及用于光偏转、可变谐振滤波和电场的测定。电光材料要求质量较高，它要求在使用波长范围内对光的吸收和散射要小，而拆射率随温度的变化不能太大。同时，电光系数、折射率和电阻率要大，介电损耗角要小，电光晶体从结构上可分为五类，见表114。,三.电光材料的
24、应用,电光效应最重要的应用是作电光快门，图118是电光快门的示意图。从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的平面偏振光如果电光晶体没有受外电场作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的平面偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出，相当快门关闭。如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开。这个电压称为半波电压。电子快门在激光技术中的重要应用是作为激光
25、器的Q开关，在激光通信、激光显示、激光雷达以及高速摄影中，Q开关都有重要的应用。,第六节 磁光材料,一磁光效应置于磁场中的物质，受磁场的影响后，器光学特性发生变化的现象称为磁光效应。可以分为以下几种：法拉第效应：在强磁场的作用下，许多非旋光性的物质会显示旋光性。这种现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。克顿木顿效应：在强磁场的作用下，一些各向同性的透明介质呈现出双折射性。这一现象称为克顿木顿效应，又称为磁致双折射效应。科尔效应：线偏振光入射到磁化介质表面时，其反射光的偏振面发生偏转，这种由反射引起的偏振面旋转的现象称为科尔效应。光磁效应：物质受到光照后，磁性能（磁化率、磁晶各向异性、磁致回线等）发
26、生变化的现象称为光磁效应。,二磁光材料,磁光材料时在可见光和红外波段具有磁光效应的光信息功能材料。按其状态可分为：晶体材料、玻璃材料、液体材料。1晶体材料：指在强磁场作用下，光学性质发生变化的晶体。分为：磁致双折射效应晶体和磁致旋光效应晶体。主要有含铁石榴石如Y3Fe5O12。2玻璃材料：由基质玻璃中掺入一定量的稀土磁旋光离子所制成。如硼酸盐玻璃，磷酸盐玻璃等。3液体材料：有少数液体具有较明显的磁致双折射效应，如水、丙酮、氯仿、苯等。应用激光调制器、激光雷达、测距、红外探测等，利用磁光效应可制作具有很高储存密度的计算机存储器和高密度光存储器等。,第七节 声光材料,一声光效应：声波作用于某些物质
27、后，该物质的光学特性发生改变，这种现象叫声光效应。具有声光效应的材料叫声光材料。声光作用可分为布拉格衍射和拉曼奈斯衍射。布拉格衍射：外加的超声波波长较短，频率较高时，光线以与超声波面成布拉格角方向入射，则可以发生布拉格衍射。拉曼奈斯衍射：外加的超声波波长较长，频率较低时，光线平行声波入射时，可产生多级衍射。叫拉曼奈斯衍射。二声光材料：玻璃、晶体、液体。声光晶体：主要有LiNbO3、LiTaO3、PbMoO4等。其中PbMoO4的声波损耗小，晶体生长、处理、加工都较容易。时制作声光器件的主要材料。,声光玻璃：易于生产，可获得形状各异的大尺寸块体。光学均匀性好，光损耗小，易加工、价格低。缺点是：在可见光区，难以获得折射率大于2.1的透明玻璃。主要有：1）熔融石英玻璃；2）重金属离子玻璃；3）硫属化合物玻璃；4）单质半导体玻璃。液态材料：主要是水及有机碘化物、有机溴化物。,三应用,声光调制器：改变超声波的强度，便可以改变经过声光材料衍射的衍射光束强度，从而实现对衍射光强度的调制。声光偏振器：改变声波的频率，便可以改变衍射束方向，可制成高速偏转光束的声光偏转器。声光滤波器：,
