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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。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 對壓電材料進行極化, 另兩個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 。如果用電流計測量時, 只有 d 33中有電流 , 其它兩個方向不產(chǎn)生電流 。壓電陶瓷的極化同磁鐵的充磁很類似, 充磁前和充磁后的磁場強度會發(fā)生很大的變化 。
壓電陶瓷的電滯回路
壓電陶瓷是多晶體,當其溫度高于居里溫度Tc 時呈立方晶格 ;而當其溫度在居里溫度 Tc 以下時, 則呈四方晶格并具有壓電性 。壓電材料在溫度 Tc 時能改變材料內(nèi)部組織這種現(xiàn)象稱為固態(tài)相變 , Tc 稱為相變溫度,也稱居里溫度。不同的壓電材料,居里溫度也會 不同。
如 BaTiO3 的居里溫度Tc 為120 ℃, PbTiO3 的居里溫度是 490 ℃。當溫度升高到 Tc 時 ,立方晶胞的三個邊長相等, 即 :a =b =c ,這時的電荷中心位于立方體中心, 壓電陶瓷無壓電性 。當溫度低于 Tc 時, 四方晶 胞的三個邊長不相等, 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 加電場所產(chǎn)生的。
對壓電陶瓷進行極化處理時顯現(xiàn)出鐵電性 。二次 極化后會形成一個回路曲線,見圖 3 所示[ 1] 。
圖中, Ps 為自發(fā)極化強度;Pr 為剩余極化強度; E c 為矯頑場強度。
從極化后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鐵電體。經(jīng)過一次極化后有了剩余極化強度 Pr ,以后每次極化時 ,它沿著這條曲線變化。不同的壓電材料有不同的電滯回路。
將一個交變的電場施加于壓電陶瓷體上, 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 段為線性增加, Ps 為自發(fā)極化強度, 這時電場為零 , 極化強度不等于零, P r 為剩余極化強度。當電場反向增加到 E c 時, 極化強度為零 。由于 E c 點能使壓電陶瓷的極化強度為零 ,稱 Ec 為矯頑場強度 。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后, 再減小反向電場,極化強度就會沿著曲線 HFC 線變化。
極化工藝是一個很復(fù)雜的過程 , 極化時不僅要有較高的電場 ,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。極化后的壓電陶瓷材料在一定的高溫下會失去極化效應(yīng) , 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(shè)計人員必須掌握的知識。壓電陶瓷材料極化前和極化后的差別是很大的。