32、铁电材料特性与晶体相变解析

铁电材料特性与晶体相变解析

1. 铁电材料特性概述

铁电材料在众多领域有着广泛应用，特别是具有钙钛矿型晶体结构的铁电材料，在机电耦合应用中十分重要。最初，这类材料主要用于声纳系统，后来逐渐拓展到鱼探仪、纳米定位器致动器、超声波电机、有源手术刀以及众多电光设备等领域。

1.1 影响铁电发电机（FEG）性能的关键参数

影响 FEG 性能的主要参数是铁电材料的剩余极化强度，它与冲击加载材料的能量密度成正比。当 FEG 处于开路模式运行时，电场会受到铁电材料击穿强度的限制。值得注意的是，铁电材料的压电特性对 FEG 性能并无影响，而且铁电样品的体积也不会影响其性能。不过，孔隙率（低密度）会按孔隙体积分数的比例降低铁电性能，不同性能（如弹性常数和介电性能）受孔隙率的影响程度不同，大多数描述铁电材料性能与孔隙率关系的函数具有经验性质。

1.2 PZT 95/5 材料特性

PZT 95/5 可通过传统陶瓷制造技术生产，能制成各种形状和尺寸。与其他商用 PZT 材料相比，它具有以下显著特点：
- 冲击去极化后的 PZT 95/5 电气击穿强度高于商用 PZT。
- 开路存储能量密度是商用 PZT 的三到四倍。
- FEG 采用 PZT 95/5 产生的电压是使用商用 PZT 的两到三倍。
- 在约 0.3GPa 的压力下，PZT 95.5 会发生压力诱导的相变，转变为反铁电相，实现完全去极化。

1.3 PZT 材料的性能测量

对几种不同类型用于 FEG 的 PZT 材料进行了介电强度测量，同时还对各种 PZT 材料进行了冲击去极化测量，相关数据如下表所示：