压电铁电

王春雷

目录

  • 1 压电铁电物理 绪论
    • 1.1 绪论(上)
    • 1.2 绪论(下)
  • 2 晶体结构
    • 2.1 晶体结构(一)
    • 2.2 晶体结构(二)
    • 2.3 晶体结构(三)
    • 2.4 晶体结构(四)
    • 2.5 晶体结构(五)
    • 2.6 晶体结构(六)
    • 2.7 晶体结构(七)
    • 2.8 晶体结构(八)
    • 2.9 晶体结构(九)
    • 2.10 晶体结构(十)
    • 2.11 晶体结构(十一)
    • 2.12 晶体结构(十二)
    • 2.13 晶体结构(十三)
  • 3 介电性质
    • 3.1 介电性质(一)
    • 3.2 介电性质(二)
    • 3.3 介电性质(三)
    • 3.4 介电性质(四)
    • 3.5 介电性质(五)
    • 3.6 介电性质(六)
    • 3.7 介电性质(七)
    • 3.8 介电性质(八)
    • 3.9 介电性质(九)
    • 3.10 介电性质(十)
    • 3.11 介电性质(十一)
    • 3.12 介电性质(十二)
    • 3.13 介电性质(十三)
    • 3.14 介电性质(十四)
  • 4 晶体的弹性性质
    • 4.1 晶体的弹性性质(一)
    • 4.2 晶体的弹性性质(二)
    • 4.3 晶体的弹性性质(三)
    • 4.4 晶体的弹性性质(四)
    • 4.5 晶体的弹性性质(五)
    • 4.6 晶体的弹性性质(六)
    • 4.7 晶体的弹性性质(七)
  • 5 压电效应与压电方程组
    • 5.1 压电效应与压电方程组(一)
    • 5.2 压电效应与压电方程组(二)
    • 5.3 压电效应与压电方程组(三)
    • 5.4 压电效应与压电方程组(四)
    • 5.5 压电效应与压电方程组(五)
    • 5.6 压电效应与压电方程组(六)
    • 5.7 压电效应与压电方程组(七)
    • 5.8 压电效应与压电方程组(八)
    • 5.9 压电效应与压电方程组(九)
    • 5.10 压电效应与压电方程组(十)
    • 5.11 压电效应与压电方程组(十一)
    • 5.12 压电效应与压电方程组(十二)
    • 5.13 压电效应与压电方程组(十三)
    • 5.14 压电效应与压电方程组(十四)
    • 5.15 压电效应与压电方程组(十五)
    • 5.16 压电效应与压电方程组(十六)
    • 5.17 压电效应与压电方程组(十七)
    • 5.18 压电效应与压电方程组(十八)
    • 5.19 压电效应与压电方程组(十九)
    • 5.20 压电效应与压电方程组(二十)
    • 5.21 压电效应与压电方程组(二十一)
  • 6 压电振子的振动模式
    • 6.1 压电振子的振动模式(一)
    • 6.2 压电振子的振动模式(二)
    • 6.3 压电振子的振动模式(三)
    • 6.4 压电振子的振动模式(四)
    • 6.5 压电振子的振动模式(五)
    • 6.6 压电振子的振动模式(六)
    • 6.7 压电振子的振动模式(七)
    • 6.8 压电振子的振动模式(八)
    • 6.9 压电振子的振动模式(九)
    • 6.10 压电振子的振动模式(十)
    • 6.11 压电振子的振动模式(十一)
    • 6.12 压电振子的振动模式(十二)
    • 6.13 压电振子的振动模式(十三)
    • 6.14 压电振子的振动模式(十四)
    • 6.15 压电振子的振动模式(十五)
    • 6.16 压电振子的振动模式(十六)
    • 6.17 压电振子的振动模式(十七)
    • 6.18 压电振子的振动模式(十八)
    • 6.19 压电振子的振动模式(十九)
    • 6.20 压电振子的振动模式(二十)
晶体的弹性性质(六)





压电器件中有一类重要和应用广泛的领域:声表面波器件(Surface Acoustic Wave Devices, SAWD, [®®]

对于各向异性的晶体,它的弹性性质由胡克定律来描述。

这里c为弹性劲度系数。

而应变张量元为: 


式中uvw代表晶体中质点位移沿xyz方向的分量。

质点的运动方程可写为





式中r代表晶体密度,按(3-8)对应关系,上式可改写为



把(3-12)、(3-18)代入上式,原则上就得出波的传播方程式,从而解出位移三个分量uvw
















显然,这样的运算比较繁杂。下面我们介绍另外的方法求解晶体中所传播的弹性波方程的方法。

由于讨论的是各向异性介质,波在不同方向上的传播情况显然是不同的。例如,各个方向上的有效弹性常数不同,波的传播速度也不同。

下面我们具体来考虑某一方向上的传播情况。设任意传播方向j,它的方向余弦为lmn,在这个方向上的某点P(xyz)同原点的距离为j ,则






显然,P的位移分量uvw依赖于(即质点的位移)波的传播方向lmn,所以可以把(3-18)式改写为:

应力和应变之间由胡克定律联系


3-21)式代入上式得到质点位移(u,v,w)与应力(T1-T6)之间的关系

质点运动方程可写为: 


式中Gij称为克利斯托夫(Christoffel)张量,它共有六个张量元,组成对称二级张量。

克利斯托夫(Christoffel)张量Gij的表示式:

x表示沿j传播的波在晶体中所引起的弹性位移矢量,它的分量为uvw。位移矢量x的方向余弦为pqr,那么,

x为位移矢量x的长度。

x的表达式代入到质点运动方程(3-22)式中得到: 

这就是j沿方向传播的弹性波方程,式中ceff代表沿方向晶体的有效弹性常数。

晶体沿方向j的有效弹性常数ceff须满足下列方程组:


因而得久期方程

(3-26)


由此可知,一般情况下,ceff有三个解ceff,i(i=123),它们分别对应于三个不同的波,其对应的传播速度为(ceffi/r1/2

对于这三个波,质点分别有相应的三个位移,把由久期方程 (3-26)式求得的ceff,i代入到有效弹性常数(3-25)式,即可解出与ceff,i对应的位移的方向余弦piqiri

下面以立方晶系为例,对上面的讨论加以说明。

立方晶系的弹性劲度常数


立方晶系只有三个独立的弹性常数c11c12c44

由(3-23)式可得到它的克利斯托夫张量为:

3-27


把上式代入到久期方程(3-26)式,得到:


(3-28)

j沿[100]方向时,l=1m=0n=0,这时上式(3-28)变为 



即可解得Ceff,1=C11Ceff,2=C44Ceff,3=C44。把这些式子代入到(3-24)式,可得到三个弹性波的波速和对应质点的位移方向。

沿[100]方向三个弹性波的波速和对应质点的位移方向

(1)

x沿[100]方向;

(2)

x沿[010]方向;

(3)

x沿[001]方向;

j沿[110]方向时,l=m=1/  n=0,同理可知也有三个弹性波:

(1) 

x沿[110]方向;

(2)


x沿[001]方向;

3

x沿[ ]方向;


j沿[111]方向时,l=m=n=1/   ,三个弹性波为: 

(1)

x沿[111]方向;

2)和(3

x沿垂直于[111]方向平面上的任意方向;

从以上讨论可以知道,x弹性波在晶体中传播一般有三个不同速度,其中一个波的位移方向和波矢方向j相同,我们把它称为纵波;而另外两个波的位移方向垂直于波矢方向,则称为横波。

最后还应指出:对于各向异性介质(如单晶)来说,在一般的方向上,虽有三个传播速度,但是对应于某一传播速度,往往质点位移方向既不平行也不垂直于波矢方向,因此纵波和横波不能加以分辨,只能在某些特殊方向上,这种分辨才有可能。




地球包括表层的岩石和地球深部物质,都不是完全的弹性体,但是地震波的传播速度很大,波动给介质带来的应力和应变是瞬时的,能量的消耗很小,此可以近似地把地震波看作弹性波。

从震源发出的波动有两种成分: 振动方向与传播方向一致的纵波振动方向与传播方向垂直的横波。纵波的传播速度较快,在远离震源的地方纵波先到,横波次之。除体波外,还存在表面波,传播速度比体波慢,比体波晚到,但振幅往往很大,振动周期较长。