金屬鐵電熱膨脹斷口分析便攜式金相顯微鏡
線性屬性
當電活性材料處于其立方的狀態(tài)，也稱為順電相時，其所有屬性都可以
在各向同性材料中找到，包括彈性、機械性、熱膨脹系數(shù)和比熱。然而，
由于順電狀態(tài)中心對稱，所以它不具有壓電、熱電以及其他更有趣的耦合
特性。當這種材料在鐵電態(tài)時這些屬性會出現(xiàn)�？紤]一個鐵電
態(tài)單胞。在垂直方向施加電場導(dǎo)致鈦離子和氧八面體之間的分離增加，這
超過了由相變引起的初始位移。這種電荷分離意味著單元偶極矩的變化并
導(dǎo)致這種材料的極化／電位移增加。首先，電位移變化和所施加的電場成
比例，從而導(dǎo)致材料的線性介電響應(yīng)。
隨著偶極矩的增大，鈦離子和氧八面體之間的附加分離進一步扭曲單
胞的形狀并導(dǎo)致宏觀應(yīng)變。此外，在第一階響應(yīng)中，材料應(yīng)變的變化和所
施加的電場成比例。這種線性響應(yīng)被稱為逆壓電效應(yīng)。需要注意的是，施
加一個與初始的自發(fā)極化相反的電場將會導(dǎo)致材料回到立方結(jié)構(gòu)，這會造
成電位移（介電效應(yīng)）和應(yīng)變（壓電效應(yīng)）的減小。直接壓電效應(yīng)是指當
施加應(yīng)力或壓力時材料的電位移會發(fā)生變化。
首先，施加壓力將導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)變，這是標準的彈性，對小應(yīng)力水平來
說應(yīng)力和應(yīng)變成正比。壓應(yīng)力使單胞朝著立方狀態(tài)收縮。壓縮過程伴隨著
偶極矩，即鈦離子和氧八面體之間的分離的減少，并且第一階響應(yīng)是線性
的。注意，熱力學(xué)因素規(guī)定，正壓電效應(yīng)中電位移與施加應(yīng)力的比例常數(shù)
和逆壓電效應(yīng)中應(yīng)變與施加電場的比例常數(shù)相同。
將偶極矩與單胞的畸變聯(lián)系，可以對鐵電耦合特性有大量洞察。帶著
這個想法，最后的性能討論歸結(jié)為對熱電材料和熱電行為的討論。順電態(tài)
材料冷卻時，立方體三個方向的尺寸變化和各向同性材料類似。當材料冷
卻至居里溫度以下時，其一階相變將引起晶格參數(shù)跳躍，導(dǎo)致兩個相等的
參數(shù)“下降，即四方晶胞的c軸隨著偶極矩從零增大到一個限定值。注意，
對于二階相變來說不會有品格參數(shù)的不連續(xù)跳躍，但類似的變化會逐漸發(fā)
生。在任一情況下，隨著溫度降低到遠低于T（，晶胞的“軸不斷減小，c
’軸不斷增加。在室溫附近較小的溫度變化引起的應(yīng)變變化是線性的。此
外，熱膨脹系數(shù)沿n軸方向是正的，沿r軸方向是負的。這一方向依賴性的
材料屬性是各向異性材料的獨特表現(xiàn)。事實上，所有的材料都表現(xiàn)出各向
異性的性質(zhì)，包括彈性和介電性能。
如前所述，偶極矩和晶胞的畸變相關(guān)，所以當溫度降低時，偶極矩沿f
軸方向增加。此外，溫度變化較小時這種關(guān)系是線性的，這種行為稱為熱
釋電。與壓電一樣，熱膨脹和熱釋電都有其逆效應(yīng)，這些效應(yīng)被稱為壓熱
和電熱效應(yīng)。例如，對于一個絕熱過程，即當熱不能從這種物質(zhì)流入或流
出時，在自發(fā)極化方向施加電場將導(dǎo)致介電效應(yīng)電位移增加，而電位移的
增加將使得材料遠離高熵立方狀態(tài)即電場將使熵減小。然而，由于可逆絕
熱過程等熵，故熵必須保持固定，這由材料溫度升高而引發(fā)的熵增完成。
類似地，一個反向的電場會導(dǎo)致溫度的降低。
