金属铁电热膨胀断口分析便携式金相显微镜

线性属性
当电活性材料处于其立方的状态，也称为顺电相时，其所有属性都可以
在各向同性材料中找到，包括弹性、机械性、热膨胀系数和比热。然而，
由于顺电状态中心对称，所以它不具有压电、热电以及其他更有趣的耦合
特性。当这种材料在铁电态时这些属性会出现。考虑一个铁电
态单胞。在垂直方向施加电场导致钛离子和氧八面体之间的分离增加，这
超过了由相变引起的初始位移。这种电荷分离意味着单元偶极矩的变化并
导致这种材料的极化／电位移增加。首先，电位移变化和所施加的电场成
比例，从而导致材料的线性介电响应。
随着偶极矩的增大，钛离子和氧八面体之间的附加分离进一步扭曲单
胞的形状并导致宏观应变。此外，在*阶响应中，材料应变的变化和所
施加的电场成比例。这种线性响应被称为逆压电效应。需要注意的是，施
加一个与初始的自发极化相反的电场将会导致材料回到立方结构，这会造
成电位移（介电效应）和应变（压电效应）的减小。直接压电效应是指当
施加应力或压力时材料的电位移会发生变化。
首先，施加压力将导致材料发生应变，这是标准的弹性，对小应力水平来
说应力和应变成正比。压应力使单胞朝着立方状态收缩。压缩过程伴随着
偶极矩，即钛离子和氧八面体之间的分离的减少，并且*阶响应是线性
的。注意，热力学因素规定，正压电效应中电位移与施加应力的比例常数
和逆压电效应中应变与施加电场的比例常数相同。
将偶极矩与单胞的畸变，可以对铁电耦合特性有大量洞察。带着
这个想法，后的性能讨论归结为对热电材料和热电行为的讨论。顺电态
材料冷却时，立方体三个方向的尺寸变化和各向同性材料类似。当材料冷
却至居里温度以下时，其一阶相变将引起晶格参数跳跃，导致两个相等的
参数“下降，即四方晶胞的c轴随着偶极矩从零增大到一个限定值。注意，
对于二阶相变来说不会有品格参数的不连续跳跃，但类似的变化会逐渐发
生。在任一情况下，随着温度降低到远低于T（，晶胞的“轴不断减小，c
’轴不断增加。在室温附近较小的温度变化引起的应变变化是线性的。此
外，热膨胀系数沿n轴方向是正的，沿r轴方向是负的。这一方向依赖性的
材料属性是各向异性材料的*表现。事实上，所有的材料都表现出各向
异性的性质，包括弹性和介电性能。
如前所述，偶极矩和晶胞的畸变相关，所以当温度降低时，偶极矩沿f
轴方向增加。此外，温度变化较小时这种关系是线性的，这种行为称为热
释电。与压电一样，热膨胀和热释电都有其逆效应，这些效应被称为压热
和电热效应。例如，对于一个绝热过程，即当热不能从这种物质流入或流
出时，在自发极化方向施加电场将导致介电效应电位移增加，而电位移的
增加将使得材料远离高熵立方状态即电场将使熵减小。然而，由于可逆绝
热过程等熵，故熵必须保持固定，这由材料温度升高而引发的熵增完成。
类似地，一个反向的电场会导致温度的降低。

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