壓電陶瓷的極化

壓電陶瓷材料沒(méi)極化前自由電子是無(wú)序排列的; 極化處理后,沿極化方向產(chǎn)生剩余極化成為各向異性的多晶體,自由電子趨向一致, 壓電性大大增強(qiáng)。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。極化前后的壓電陶瓷材料有著不同的介電常數(shù)ε和壓電常數(shù)d 。

設(shè)極化前的介電常數(shù):ε11 =ε22 =ε33 。如果沿方向 3 對(duì)壓電材料進(jìn)行極化, 另兩個(gè)電極面垂直于極化方向。極化后的介電常數(shù):ε11 =ε22 ≠ε33 ,而 ε33值比 ε11要大得多。

壓電陶瓷的壓電常數(shù)也具有各向異性 ,沿不同方向壓電常數(shù) 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(jì)測(cè)量時(shí), 只有 d 33中有電流 , 其它兩個(gè)方向不產(chǎn)生電流 。壓電陶瓷的極化同磁鐵的充磁很類(lèi)似, 充磁前和充磁后的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生很大的變化 。

壓電陶瓷的電滯回路

壓電陶瓷是多晶體,當(dāng)其溫度高于居里溫度Tc 時(shí)呈立方晶格 ;而當(dāng)其溫度在居里溫度 Tc 以下時(shí), 則呈四方晶格并具有壓電性 。壓電材料在溫度 Tc 時(shí)能改變材料內(nèi)部組織這種現(xiàn)象稱(chēng)為固態(tài)相變 , Tc 稱(chēng)為相變溫度,也稱(chēng)居里溫度。不同的壓電材料,居里溫度也會(huì) 不同。

如 BaTiO3 的居里溫度Tc 為120 ℃, PbTiO3 的居里溫度是 490 ℃。當(dāng)溫度升高到 Tc 時(shí) ,立方晶胞的三個(gè)邊長(zhǎng)相等, 即 :a =b =c ,這時(shí)的電荷中心位于立方體中心, 壓電陶瓷無(wú)壓電性 。當(dāng)溫度低于 Tc 時(shí), 四方晶 胞的三個(gè)邊長(zhǎng)不相等, 即:a =b <c ;產(chǎn)生了電荷中心偏離, 具有壓電性 。這種極化是自身產(chǎn)生的,并不是外 加電場(chǎng)所產(chǎn)生的。

對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理時(shí)顯現(xiàn)出鐵電性 。二次 極化后會(huì)形成一個(gè)回路曲線(xiàn),見(jiàn)圖 3 所示[ 1] 。

圖中, Ps 為自發(fā)極化強(qiáng)度;Pr 為剩余極化強(qiáng)度; E c 為矯頑場(chǎng)強(qiáng)度。

從極化后的電滯回路曲線(xiàn)可以看出 ,它和磁滯回 路的曲線(xiàn)很相似, 所以壓電陶瓷也被稱(chēng)為鐵電體。經(jīng)過(guò)一次極化后有了剩余極化強(qiáng)度 Pr ,以后每次極化時(shí) ,它沿著這條曲線(xiàn)變化。不同的壓電材料有不同的電滯回路。

將一個(gè)交變的電場(chǎng)施加于壓電陶瓷體上, 通過(guò)示波器可以直接觀(guān)察到回滯曲線(xiàn) 。當(dāng)電場(chǎng)增加到一定強(qiáng)度時(shí),極化強(qiáng)度達(dá)到飽和。其中 BC 段為線(xiàn)性增加, Ps 為自發(fā)極化強(qiáng)度, 這時(shí)電場(chǎng)為零 , 極化強(qiáng)度不等于零, P r 為剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)電場(chǎng)反向增加到 E c 時(shí), 極化強(qiáng)度為零 。由于 E c 點(diǎn)能使壓電陶瓷的極化強(qiáng)度為零 ,稱(chēng) Ec 為矯頑場(chǎng)強(qiáng)度 。當(dāng)電場(chǎng)反向增加時(shí) ,極化強(qiáng)度也反向增加 。當(dāng)反向極化強(qiáng)度達(dá)到飽和后, 再減小反向電場(chǎng),極化強(qiáng)度就會(huì)沿著曲線(xiàn) HFC 線(xiàn)變化。

 極化工藝是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程 , 極化時(shí)不僅要有較高的電場(chǎng) ,不同的厚度需要不同的時(shí)間 ,還要在較高的溫度下才能達(dá)到*佳極化效果。極化后的壓電陶瓷材料在一定的高溫下會(huì)失去極化效應(yīng) , 不同壓電材料有不同的失效溫度, 這一點(diǎn)在選用壓電陶瓷材料時(shí)需 注意。

壓電陶瓷的極化, 是壓電檢波器設(shè)計(jì)人員必須掌握的知識(shí)。壓電陶瓷材料極化前和極化后的差別是很大的。