壓電(dian)陶瓷(ci)極化與電(dian)滯回路(lu)

壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)的極化

壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)材(cai)料沒(mei)極化前自由(you)電(dian)子是無序(xu)排(pai)列的(de); 極化處理後(hou),沿極化方向(xiang)產生剩余(yu)極化成為(wei)各向(xiang)異(yi)性的(de)多(duo)晶體(ti),自由(you)電(dian)子趨(qu)向(xiang)壹致(zhi), 壓電(dian)性大大增強。如圖(tu)1、圖(tu)2所示(shi),壓電(dian)陶瓷(ci)材(cai)料可以做(zuo)成任意形狀、任意極化方向(xiang)。極化前後(hou)的(de)壓電(dian)陶瓷(ci)材(cai)料有(you)著(zhe)不(bu)同(tong)的介電(dian)常數(shu)ε和壓電(dian)常數(shu)d 。

設(she)極化前的介(jie)電(dian)常數(shu):ε11 =ε22 =ε33 。如果沿方向(xiang) 3 對(dui)壓電(dian)材(cai)料進行極化, 另兩(liang)個(ge)電(dian)極面垂(chui)直於(yu)極化方向(xiang)。極化後(hou)的(de)介電(dian)常數(shu):ε11 =ε22 ≠ε33 ,而 ε33值比(bi) ε11要(yao)大得多(duo)。

壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)的壓(ya)電(dian)常數(shu)也具有(you)各向(xiang)異(yi)性 ,沿不(bu)同(tong)方向(xiang)壓電(dian)常數(shu) d 的值也是不同(tong)的。其(qi)中沿方向(xiang) 3 的值 大,即(ji) d 33 >>d 31和 d 32 。如果用(yong)電(dian)流計(ji)測量時, 只有(you) d 33中(zhong)有(you)電(dian)流 , 其(qi)它兩(liang)個(ge)方向(xiang)不產生電(dian)流 。壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)的極化同(tong)磁(ci)鐵的(de)充(chong)磁(ci)很(hen)類似, 充(chong)磁(ci)前和充(chong)磁(ci)後(hou)的(de)磁(ci)場強(qiang)度會發(fa)生很(hen)大的變(bian)化 。

壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)的電(dian)滯回路(lu)

壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)是多(duo)晶體(ti),當其(qi)溫(wen)度(du)高(gao)於(yu)居(ju)裏溫(wen)度(du)Tc 時呈立(li)方晶格 ;而當其(qi)溫(wen)度(du)在(zai)居(ju)裏溫(wen)度(du) Tc 以下(xia)時, 則呈四方晶格並具有(you)壓(ya)電(dian)性 。壓(ya)電(dian)材(cai)料在(zai)溫(wen)度(du) Tc 時能(neng)改(gai)變(bian)材(cai)料內部組(zu)織(zhi)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)稱(cheng)為(wei)固態相(xiang)變(bian) , Tc 稱為(wei)相(xiang)變(bian)溫(wen)度(du),也(ye)稱居(ju)裏溫(wen)度(du)。不(bu)同(tong)的壓電(dian)材(cai)料,居(ju)裏溫(wen)度(du)也(ye)會 不(bu)同(tong)。

如 BaTiO3 的居(ju)裏溫(wen)度(du)Tc 為(wei)120 ℃, PbTiO3 的居(ju)裏溫(wen)度(du)是(shi) 490 ℃。當溫(wen)度(du)升高(gao)到(dao) Tc 時 ,立(li)方晶胞(bao)的三(san)個邊(bian)長相(xiang)等(deng), 即(ji) :a =b =c ,這(zhe)時的(de)電(dian)荷(he)中心位(wei)於(yu)立方體中心, 壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)無壓電(dian)性 。當(dang)溫(wen)度(du)低於(yu) Tc 時, 四方晶 胞(bao)的三(san)個邊(bian)長不相(xiang)等(deng), 即(ji):a =b <c ;產生了電(dian)荷(he)中心偏離, 具有(you)壓(ya)電(dian)性 。這(zhe)種(zhong)極化是自(zi)身產生的,並不(bu)是(shi)外 加電(dian)場所產生的。

對(dui)壓電(dian)陶瓷(ci)進行極化處理時顯現出(chu)鐵(tie)電(dian)性 。二(er)次 極化後(hou)會形成壹個(ge)回路(lu)曲線(xian),見圖(tu) 3 所示(shi)[ 1] 。

圖(tu)中(zhong), Ps 為(wei)自發極化強度(du);Pr 為(wei)剩余(yu)極化強度(du); E c 為(wei)矯(jiao)頑(wan)場(chang)強度。

從極化後(hou)的(de)電(dian)滯回路(lu)曲線(xian)可(ke)以看(kan)出 ,它和磁(ci)滯回 路(lu)的曲(qu)線(xian)很(hen)相(xiang)似(si), 所以壓電(dian)陶瓷(ci)也被稱(cheng)為(wei)鐵電(dian)體。經過(guo)壹次(ci)極化後(hou)有(you)了(le)剩(sheng)余(yu)極化強度(du) Pr ,以後(hou)每(mei)次極化時 ,它沿著(zhe)這(zhe)條(tiao)曲(qu)線(xian)變(bian)化。不同(tong)的壓電(dian)材(cai)料有(you)不(bu)同(tong)的電(dian)滯回路(lu)。

將壹個(ge)交變(bian)的電(dian)場施(shi)加於(yu)壓電(dian)陶瓷(ci)體上(shang), 通過(guo)示(shi)波器可(ke)以直接(jie)觀(guan)察到(dao)回滯曲(qu)線(xian) 。當(dang)電(dian)場增(zeng)加到(dao)壹定(ding)強度時,極化強度(du)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)。其(qi)中 BC 段(duan)為(wei)線(xian)性(xing)增加(jia), Ps 為(wei)自發極化強度(du), 這(zhe)時電(dian)場為(wei)零(ling) , 極化強度(du)不等於(yu)零(ling), P r 為(wei)剩余(yu)極化強度(du)。當電(dian)場反(fan)向(xiang)增加到(dao) E c 時, 極化強度(du)為(wei)零(ling) 。由(you)於(yu) E c 點能使壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)的極化強度(du)為(wei)零(ling) ,稱 Ec 為(wei)矯(jiao)頑(wan)場(chang)強度 。當電(dian)場反(fan)向(xiang)增加時 ,極化強度(du)也反向(xiang)增加 。當反向(xiang)極化強度(du)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)後(hou), 再減(jian)小反向(xiang)電(dian)場,極化強度(du)就(jiu)會沿著(zhe)曲(qu)線(xian) HFC 線(xian)變(bian)化。

 極化工藝(yi)是(shi)壹個(ge)很(hen)復雜的(de)過(guo)程 , 極化時不(bu)僅要有(you)較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)場 ,不(bu)同(tong)的厚度(du)需(xu)要不(bu)同(tong)的時間(jian) ,還要在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)才(cai)能達(da)到(dao)*佳極化效果(guo)。極化後(hou)的(de)壓電(dian)陶瓷(ci)材(cai)料在(zai)壹定(ding)的高(gao)溫(wen)下(xia)會失去(qu)極化效應(ying) , 不同(tong)壓電(dian)材(cai)料有(you)不(bu)同(tong)的失效(xiao)溫(wen)度(du), 這(zhe)壹點在(zai)選(xuan)用(yong)壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)材(cai)料時需(xu) 註(zhu)意。

壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)的極化, 是壓(ya)電(dian)檢(jian)波(bo)器設(she)計人(ren)員(yuan)必(bi)須掌(zhang)握的(de)知(zhi)識。壓(ya)電(dian)陶瓷(ci)材(cai)料極化前和極化後(hou)的(de)差別是很(hen)大的。