压电陶瓷的极化

压电陶瓷材料没极化前自由电子是无序排列的; 极化处理后,沿极化方向产生剩余极化成为各向异性的多晶体,自由电子趋向一致, 压电性大大增强。如图1、图2所示,压电陶瓷材料可以做成任意形状、任意极化方向。极化前后的压电陶瓷材料有着不同的介电常数ε和压电常数d 。

设极化前的介电常数:ε11 =ε22 =ε33 。如果沿方向 3 对压电材料进行极化, 另两个电极面垂直于极化方向。极化后的介电常数:ε11 =ε22 ≠ε33 ,而 ε33值比 ε11要大得多。

压电陶瓷的压电常数也具有各向异性 ,沿不同方向压电常数 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 。如果用电流计测量时, 只有 d 33中有电流 , 其它两个方向不产生电流 。压电陶瓷的极化同磁铁的充磁很类似, 充磁前和充磁后的磁场强度会发生很大的变化 。

压电陶瓷的电滞回路

压电陶瓷是多晶体,当其温度高于居里温度Tc 时呈立方晶格 ;而当其温度在居里温度 Tc 以下时, 则呈四方晶格并具有压电性 。压电材料在温度 Tc 时能改变材料内部组织这种现象称为固态相变 , Tc 称为相变温度,也称居里温度。不同的压电材料,居里温度也会 不同。

如 BaTiO3 的居里温度Tc 为120 ℃, PbTiO3 的居里温度是 490 ℃。当温度升高到 Tc 时 ,立方晶胞的三个边长相等, 即 :a =b =c ,这时的电荷中心位于立方体中心, 压电陶瓷无压电性 。当温度低于 Tc 时, 四方晶 胞的三个边长不相等, 即:a =b <c ;产生了电荷中心偏离, 具有压电性 。这种极化是自身产生的,并不是外 加电场所产生的。

对压电陶瓷进行极化处理时显现出铁电性 。二次 极化后会形成一个回路曲线,见图 3 所示[ 1] 。

图中, Ps 为自发极化强度;Pr 为剩余极化强度; E c 为矫顽场强度。

从极化后的电滞回路曲线可以看出 ,它和磁滞回 路的曲线很相似, 所以压电陶瓷也被称为铁电体。经过一次极化后有了剩余极化强度 Pr ,以后每次极化时 ,它沿着这条曲线变化。不同的压电材料有不同的电滞回路。

将一个交变的电场施加于压电陶瓷体上, 通过示波器可以直接观察到回滞曲线 。当电场增加到一定强度时,极化强度达到饱和。其中 BC 段为线性增加, Ps 为自发极化强度, 这时电场为零 , 极化强度不等于零, P r 为剩余极化强度。当电场反向增加到 E c 时, 极化强度为零 。由于 E c 点能使压电陶瓷的极化强度为零 ,称 Ec 为矫顽场强度 。当电场反向增加时 ,极化强度也反向增加 。当反向极化强度达到饱和后, 再减小反向电场,极化强度就会沿着曲线 HFC 线变化。

 极化工艺是一个很复杂的过程 , 极化时不仅要有较高的电场 ,不同的厚度需要不同的时间 ,还要在较高的温度下才能达到*佳极化效果。极化后的压电陶瓷材料在一定的高温下会失去极化效应 , 不同压电材料有不同的失效温度, 这一点在选用压电陶瓷材料时需 注意。

压电陶瓷的极化, 是压电检波器设计人员必须掌握的知识。压电陶瓷材料极化前和极化后的差别是很大的。