壓電陶瓷極化與電滯回路

壓電陶瓷的極化

壓電陶瓷材料沒極化前自由電子是無序排列的; 極化處理後,沿極化方向產(chan) 生剩餘(yu) 極化成為(wei) 各向異性的多晶體(ti) ,自由電子趨向一致, 壓電性大大增強。如圖1、圖2所示,壓電陶瓷材料可以做成任意形狀、任意極化方向。極化前後的壓電陶瓷材料有著不同的介電常數ε和壓電常數d 。

設極化前的介電常數:ε11 =ε22 =ε33 。如果沿方向 3 對壓電材料進行極化, 另兩(liang) 個(ge) 電極麵垂直於(yu) 極化方向。極化後的介電常數:ε11 =ε22 ≠ε33 ,而 ε33值比 ε11要大得多。

壓電陶瓷的壓電常數也具有各向異性 ,沿不同方向壓電常數 d 的值也是不同的。其中沿方向 3 的值 大,即 d 33 >>d 31和 d 32 。如果用電流計測量時, 隻有 d 33中有電流 , 其它兩(liang) 個(ge) 方向不產(chan) 生電流 。壓電陶瓷的極化同磁鐵的充磁很類似, 充磁前和充磁後的磁場強度會(hui) 發生很大的變化 。

壓電陶瓷的電滯回路

壓電陶瓷是多晶體(ti) ,當其溫度高於(yu) 居裏溫度Tc 時呈立方晶格 ;而當其溫度在居裏溫度 Tc 以下時, 則呈四方晶格並具有壓電性 。壓電材料在溫度 Tc 時能改變材料內(nei) 部組織這種現象稱為(wei) 固態相變 , Tc 稱為(wei) 相變溫度,也稱居裏溫度。不同的壓電材料,居裏溫度也會(hui) 不同。

如 BaTiO3 的居裏溫度Tc 為(wei) 120 ℃, PbTiO3 的居裏溫度是 490 ℃。當溫度升高到 Tc 時 ,立方晶胞的三個(ge) 邊長相等, 即 :a =b =c ,這時的電荷中心位於(yu) 立方體(ti) 中心, 壓電陶瓷無壓電性 。當溫度低於(yu) Tc 時, 四方晶 胞的三個(ge) 邊長不相等, 即:a =b <c ;產(chan) 生了電荷中心偏離, 具有壓電性 。這種極化是自身產(chan) 生的,並不是外 加電場所產(chan) 生的。

對壓電陶瓷進行極化處理時顯現出鐵電性 。二次 極化後會(hui) 形成一個(ge) 回路曲線,見圖 3 所示[ 1] 。

圖中, Ps 為(wei) 自發極化強度;Pr 為(wei) 剩餘(yu) 極化強度; E c 為(wei) 矯頑場強度。

從(cong) 極化後的電滯回路曲線可以看出 ,它和磁滯回 路的曲線很相似, 所以壓電陶瓷也被稱為(wei) 鐵電體(ti) 。經過一次極化後有了剩餘(yu) 極化強度 Pr ,以後每次極化時 ,它沿著這條曲線變化。不同的壓電材料有不同的電滯回路。

將一個(ge) 交變的電場施加於(yu) 壓電陶瓷體(ti) 上, 通過示波器可以直接觀察到回滯曲線 。當電場增加到一定強度時,極化強度達到飽和。其中 BC 段為(wei) 線性增加, Ps 為(wei) 自發極化強度, 這時電場為(wei) 零 , 極化強度不等於(yu) 零, P r 為(wei) 剩餘(yu) 極化強度。當電場反向增加到 E c 時, 極化強度為(wei) 零 。由於(yu) E c 點能使壓電陶瓷的極化強度為(wei) 零 ,稱 Ec 為(wei) 矯頑場強度 。當電場反向增加時 ,極化強度也反向增加 。當反向極化強度達到飽和後, 再減小反向電場,極化強度就會(hui) 沿著曲線 HFC 線變化。

 極化工藝是一個(ge) 很複雜的過程 , 極化時不僅(jin) 要有較高的電場 ,不同的厚度需要不同的時間 ,還要在較高的溫度下才能達到*佳極化效果。極化後的壓電陶瓷材料在一定的高溫下會(hui) 失去極化效應 , 不同壓電材料有不同的失效溫度, 這一點在選用壓電陶瓷材料時需 注意。

壓電陶瓷的極化, 是壓電檢波器設計人員必須掌握的知識。壓電陶瓷材料極化前和極化後的差別是很大的。