铁电体的宏观特性在军工科技领域的应用.doc

铁电体的宏观特性在军工科技领域的应用2006年第3期第8卷(总第37期)淮南师范学院JOURNALOFHUAINANTEACHERSC0U点GENo.3,2006GeneralNo.37,Vo1.8铁电体的宏观特性在军工科技领域的应用李胜强(铜陵学院电气工程系,安徽铜陵244oo0)摘要文章对铁电体的宏观特性,发展阶段和研究方向进行综述,指出铁电体研究的核心是自发极化,产生机制表现为铁电相变理论,极化状态在外界条件下的变化使其具有压电,介电,电致伸缩,热电和非线性光学效应等可供技术应用的物理特性.并以铁电体透镜移相器,爆电换能发电为例.介绍其在军工科技领域的具体应用.关键词铁电体;凝聚态物理;军工科技;铁电体透镜;爆电换能发电中图分类号059文献标识码A文章编号10099530(2006)030007031概述许多各向同性的电介质被电场极化后,其电极化强度矢量P均与电介质内的场强E成正比,即P=(81)8oE,且8为一与E的大小无关的常数.若外电场撤消,则电介质内的场强随之为零,同时电极化强度也为零.在实践中还发现一些特殊的电介质,当温度较低时,其相对电容率s不是常数,而与E有关,且电介质一旦被电极化后,即使撤消外电场,电介质内的电极化强度P仍不为零,具有所谓的"剩余极化",人们称具有这种特性的电介质为铁电性物质,亦称铁电体,常见的铁电体有酒石酸钾钠(NaKC4I-KO6?4H20)和钛酸钡陶瓷(BaTiO,)等.铁电体的研究始于1920年,当年法国人Vasek发现了罗息盐(即酒石酸钾钠)的特异的介电性能,导致了"铁电性"概念的出现.迄今,铁电研究大体可分为四个阶段:第一阶段是1920年一1939年,在这一阶段中发现了两种铁电结构,即罗息盐和KH2PO4系列;第二阶段是1940年一1958年,铁电唯象理论开始建立,并趋于成熟;第三阶段是1959年-20世纪70年代,这是铁电软模理论出现和基本完善的时期,称为软模阶段;第四阶段20世纪80年代至今,主要研究各种非均匀系统【11.值得指出的是:钙钛矿结构的氧化物长期以来被看作是典型的铁电体,如钛酸铅等.由于它的晶体结构,化学的简单性和具有较大的"掺杂容忍性",因此可以在不同晶位上通过元素替代来改变载流子浓度,能带宽度,从而调制其物理性质,并诱发多种类型的相变:如金属一绝缘体(MI),铁磁一顺磁(FMPM)和铁电一顺电(FigPE)相变;出现一系列奇异性质:如高温超导电性,特大磁电阻(CMR),巨热电性和巨铁电性等铁电体已成为当今凝聚态物理学理论研究的热点和前沿课题,具有重大的应用前景.本文将综述铁电体的宏观特性和物理机理,并以铁电体透镜移相器,爆电换能发电为例,介绍其在军工科技领域的具体应用.2铁电体的宏观特性和物理机理2.1自发极化与铁电相变理论铁电体是这样的晶体,其中存在自发极化,而极化是一种极性矢量,使得每个晶胞中原子的正负电荷重心沿该方向发生相对位移,形成电偶极矩.整个晶体在该方向呈现极性,一端为正,一端为负.某个方向与晶体的其他任何方向都不是对称等效的,有特殊的极性方向.铁电体的自发极化有两个或多个可能的取向,在电场作用下,其取向可以改变.晶体的铁电性通常只存在于一定的温度范围.当温度超过某一值时,自发极化消失,铁电体成为顺电体.铁电相与顺电相之间的转变通常简称为铁电相变,该温度称为居里温度或居里点(To).铁电体的低频相对电容率与温度的关系符合居里一外斯定律.铁电相变的实质是出现自发极化.自发极化是各晶胞中偶极子出现并平行排列的结果.不论自发极化起因于何种机制,自发极化的出现反映了系统内部有序化程度的提高.根据晶体结构的测定和理论分析,可将铁电相变分为两种类型,即位移型和有序无序型,这种分类是近似的,许多铁电体兼具有序无序和位移型的特征.铁电相变理论的突破性进展是软模理论.该理论认为,铁电相变应该在晶格动力学范围内加以研究,具体来说,自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的软化.这里"软化"指频率降低以致振动"冻结",这个模称为软模.软化的原因可作如下直观的理解:振动着的离子受到短程力和长程库仑力的作用,对光学横模说,这两种力具有相反的符号.当温度适当时,二者的数值接近相等,使振动频率趋近于零.软模理论集中注意对相变负责的晶胞中少数离子,用单势阱中的非谐振子描述这些【收稿日期】20060303【作者简介】李胜强(1963一),男,山东招远人,铜陵学院电气工程系物理学讲师,研究方向为工程物理.8淮南师范学院第8卷离子的振动,成功地解释了铁电相变的主要特征.2.2极化状态在外界条件下的变化因为原子的构型是温度的函数,所以铁电体的自发极化状态将随温度的变化而变化,这种性质称为热电性(pyroelectricity).热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性.具有热电性的晶体称为热电体(pyroelectrics).热电效应指的是极化随温度改变的现象.考虑一个单畴化的铁电体,其中极化的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷.在热平衡状态,这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽,所以铁电体对外界并不显示电的作用.当温度改变时,极化发生变化,原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷,于是表面出现自由电荷,它们在附近空间形成电场,对带电微粒有吸引或排斥作用.如果与外电路联接,则可在电路中观测到电流.升温和降温两种情况下电流的方向相反.热电效应中电荷或电流的出现是由于极化改变后对自由电荷吸引能力发生变化,使相应表面上自由电荷增加或减少.非中心对称的晶体在外界压力的作用下通过内部的极化过程,使晶体表面出现面电荷,这种效应称为压电效应,即在某些晶体的特定方向加压力时,相应的表面上出现正或负的电荷,而且电荷密度与压力大小成正比.需要注意的是,热电效应中极化改变由温度变化引起,压电效应中极化改变则是由应力造成的.如此种种,由于外界条件的变化导致了极化状态的不同变化,使得铁电体具有压电效应,高介电常数,电致伸缩效应,热电效应和非线性光学效应等许多可供技术应用的物理特性,使其在信息存储记忆,压电换能,电声换能,热电探测,热电摄象技术等一系列高新技术领域获得广泛的应用.3军工科技应用3.1铁电体透镜移相器近年来,铁电体在微波中的应用有了长足的发展,其微波器件作为新一代产品,在相控阵雷达,微波通讯领域,天线阵方面发挥重要作用.Park和Rao等人提出了RADANT透镜的概念31,采用铁电体透镜移相器技术,可以使常规相控阵天线所需的单元数量由MxN个减少到M+N个.不仅降低了相控阵霄达的成本,更重要的大大减小其体积,使得相控阵雷达可以在飞机和卫星等较小的平台上应用.应用领域也扩展到了预警,引导,测量,制导,火控和超视距探测等诸多方面.铁电体移相器的设计主要是基于改变加在铁电体上的直流电压时(电场垂直于传输方向),就会使铁电体的介电常数发生变化,其相速也相应改变,使得通过它的微波相移量产生改变.它是一种称为体移相器的结构.如图1所示为铁电体透镜移相器,它是由两块平行的金属导体板中间放人介质夹层,介质夹层中包括有铁电体材料,如果在金属板之间加上直流电压(如图1中的电压V,V2,V,铁电体材料的介电常数就会改变.当电场矢量E垂直于金属导体板的平面电磁波由透镜的一边人射并由另一边出来时,通过调节电压V,V:,V按线性变化(递增或递减),也就相应改变了图1中所示的介电常数8,8:,8,可以改变各单元的阵内相移量,使通过的电磁波在E面上扫描.单个铁电体透镜移相器能够实现一维电扫.要实现二维电扫,可以用两个一维电扫的铁电体透镜叠加,或者用一个一维电扫的铁电体透镜与一个一维电扫的平面阵列组成的混合结构.图1铁电体透镜的基本构造极化转化器图2平面阵馈源的双透镜结构图2所示为在空间相互正交的两个铁电体透镜的叠加结构.第一个铁电体透镜对垂直极化波进行俯仰方向的扫描,铁电体透镜之间的极化转化器使极化方向旋转90.变成水平极化,第二个铁电体透镜对水平极化波进行方位方向的扫描,从而实现了二维扫描.由于一维电扫仅需要一维移相器排列,移相器的数量为M个,另一个一维电扫所需移相器的数量为N个,按图示的结构完成二维扫描所需移相器的数量为两者之和,即M+N个,这比常规相控阵天线所需的MxN个有了大幅度的减少.同时可以看出铁电体透镜的控制较常规相控阵辐射单元后加移相器或收发(T/R)模块的控制更为简便.3.2爆电换能发电铁电体的电极化强度P的大小与外电场强的大小问的关系,在不同的温度下是不同的,例如钛酸钡放人外电场中,在温度高于120C时,电极化强度P与外电场Eo成正比,如图3(a)所示.但在温度高于120C时,P与Eo则不成正比,如图3(b)所示.由图,-q-见,当E达到某一数值时,P不再增大,电极化达到饱和(由图中的PS所示),若E沿反向减小,P也随之减小,但并不沿原曲线返回,特别当Eo=0时,P并不为零而是减至Pr,这种现象称为电滞现象,Pr称为剩余极化.要使剩余极化消失,可将E沿反向增大,当场强E.的大小,方向作周期性变化时,便形成了图3中的abcda回线,这条回线第3期李胜强:铁电体的宏观特性在军工科技领域的应用9称为电滞回线.JlPO/一/EojIPa一-psEo(a)P与E0成正比(b)P与Eo不成正比图3铁电体的电滞回线铁电体的电滞回线有很大的实用价值,铁电体爆电换能发电就是应用该特性发展起来的一项新技术.其基本原理及过程如下:铁电体被外电场极化后,即使撤去了外电场,它仍处于剩余极化状态,因而贮存着能量,通过爆炸可使处于剩余极化状态的铁电体受到极大的冲击力,温度发生明显的变化,使铁电体的剩余极化在极短的时间内消失并相应地以电能的形式释放出电极化能.爆电换能用铁电材料需要通过电极化处理工序将反铁电相转变成铁电相,同时把电能量贮存在材料中一.按照平行板电容器模型,铁电体贮存,p2的电极化能量为W=1Ah(1)8式中P,为材料的剩余极化强度;为介电常数;A和h分别为上下电极的面积和间距.在爆电换能工作方式中,采用炸药爆炸产生的冲击波或高速投掷物作用在材料上,迫使贮存有电极化能量的铁电相迅速转变成反铁电相释放出电能量.冲击波的加载方式通常有两种模式(见图4):(1)冲击波传播方向与电极化方向(或电极面)平行的,称作轴向模式.(2)冲击波传播方向与电极化方向(或电极面)垂直的,称作垂直模式.冲(a)轴向模式(b)?垂直模式图4爆电换能工作模式原理示意图负拔冲击渡在材料中传播时会把渡前到达区域的铁电相转变成反铁电相,在这个过程中流经外部负载电阻上的电荷量g.()=A(RC.)(1-e丽)OtT(2)g.()=PrA(譬)(eT/-e_1)e丽t>-r(3)式中C为材料的电容;为平面波波前在材料中传播的时间.通过负载电阻尺上的电流可表示为(t)=(4)在短路条件下,电流强度可近似地表示为()一旦A_(5)因为材料的电容很小,在负载电阻不高的情况下,可看成是满足短路条件.这时,流经电阻的电流是一个大小不变的稳恒电流,形成一个宽度为的方型电脉冲(如图5).tuS图5冲击波作用模式的电流释放曲线负载电阻上的电压V:ixR一.丛输出电功率P:FR一(旦)(6)(7)这种新型转换电能的装置的突出优点是功率大,重量轻.目前常用的铁电体材料是锆钛酸铝陶瓷.据文献报导,锆钛酸铝陶瓷极化后贮存的电极化能量密度一般为每立方厘米内十几个焦尔,在爆炸时产生的冲击波作用下,这些能量可在几个微秒内释放出来,一个体积为30cm的锆钛酸铝陶瓷电源,可贮存几百个焦尔的极化能,在释放时其功率可达几十兆瓦.这样的一个电源造价约300元,消耗炸药40g,重量不超过1kg.铁电体爆电换能发电装置,可以用来引爆炸药,产生激光,加速带电粒子和给一些特殊的电子系统供电等,是一种新型的高效电源,可广泛地应用于航天,航海,水下作业等对电源的重量,体积有严格要求的部门.4结束语虽然铁电体的研究仅有80余年的历史,但其理论和应用技术得到了快速发展.铁电体材料在军工科技和其他高科技领域的应用日益广泛,为国防建设和国民经济的发展发挥着重要作用.在铁电体理论中,其低维特性和调制结构是今后研究的主要方向.有关铁电体的介电,压电,电致伸缩,偏压和老化等特性的具体研究,为改进材料制备工艺提供直接依据,同时也为设计更广泛的新材料应用体系提供可能的技术路线.参考文献】1】钟维烈.铁电体物理学M】.北京:科学出版社,19982ParkRH.Radantlens:altemativetoexpensivephasedarraysMicrowaveJ,1981,24(9):101-1053RaoJBR,PatelDP.Voltagecontrolledferroeleetrielensphasedarrays.IEEEAntennasPropagat.Soc.Int.Symp.Baltimom,MD,1996:1624-16274张福学.现代压电学M】.北京:科学出版社,20015冯玉军,徐卓,郑曙光,等.反铁电爆电换能电源研究叨.西安交通大学,2002,36(6):584-5876贺元吉,张亚iji,李传胪.爆电换能的理论分析叨.国防科技大学,2000,22(增刊):43-487廖耀发,张立刚,张兆国等.大学物理(上册)】.武汉:武汉大学出版社,20018HaertilingGH.Ferroeleetricceramics:historyandtechnology叨.JAmCeramSoc,1999,82(4):797818