壓電陶瓷(cí)的(dí)極化(huà)

壓電陶(táo)瓷材(cái)料沒(méi)極化(huà)前(qián)自(zì)由(yóu)電(diàn)子是(shì)無序(xù)排(pái)列(liè)的(dí); 極(jí)化(huà)處理後,沿極化方(fāng)向產(chǎn)生剩(shèng)餘(yú)極(jí)化成(chéng)為(wéi)各向異(yì)性(xìng)的多晶體,自由(yóu)電(diàn)子趨(qū)向一(yī)致, 壓電(diàn)性大(dà)大增強。如(rú)圖1，圖2所示,壓電陶瓷材料可以做成(chéng)任(rèn)意(yì)形狀(zhuàng)，任意極化(huà)方(fāng)向(xiàng)。極化前後的(dí)壓(yā)電陶(táo)瓷(cí)材(cái)料有(yǒu)著(zhuó)不同的介電(diàn)常數ε和(hé)壓電(diàn)常(cháng)數d 。

設(shè)極(jí)化(huà)前的介(jiè)電常數:ε11 =ε22 =ε33 。如(rú)果沿方向 3 對壓電(diàn)材(cái)料進行(háng)極(jí)化(huà), 另(lìng)兩(liǎng)個電極(jí)麵垂(chuí)直(zhí)於(yú)極化方(fāng)向。極(jí)化後的介電(diàn)常數:ε11 =ε22 ≠ε33 ,而(ér) ε33值(zhí)比 ε11要大得多。

壓(yā)電(diàn)陶(táo)瓷(cí)的(dí)壓電常數(shù)也具有各向(xiàng)異性 ,沿(yán)不同(tóng)方(fāng)向壓(yā)電(diàn)常數 d 的值(zhí)也是(shì)不(bù)同的(dí)。其(qí)中(zhōng)沿方向(xiàng) 3 的值 大(dà),即 d 33 >>d 31和(hé) d 32 。如(rú)果(guǒ)用電流計(jì)測(cè)量(liáng)時, 隻有(yǒu) d 33中(zhōng)有(yǒu)電(diàn)流 , 其它(tā)兩個方向不產(chǎn)生電(diàn)流(liú) 。壓(yā)電(diàn)陶(táo)瓷的極(jí)化(huà)同磁(cí)鐵(tiě)的充(chōng)磁(cí)很類(lèi)似, 充磁(cí)前(qián)和充磁後的(dí)磁場(cháng)強(qiáng)度會發生很(hěn)大(dà)的(dí)變化 。

壓(yā)電陶(táo)瓷(cí)的(dí)電滯(zhì)回(huí)路(lù)

壓電(diàn)陶瓷(cí)是多晶(jīng)體(tǐ),當其溫度(dù)高(gāo)於居(jū)裏(lǐ)溫(wēn)度Tc 時呈立方晶格(gé) ;而(ér)當其溫(wēn)度(dù)在居裏溫度 Tc 以下(xià)時(shí), 則(zé)呈(chéng)四(sì)方(fāng)晶(jīng)格(gé)並具有壓(yā)電性(xìng) 。壓(yā)電材料在溫(wēn)度(dù) Tc 時能(néng)改變材料(liào)內(nèi)部組織(zhī)這(zhè)種現(xiàn)象(xiàng)稱(chēng)為(wéi)固態(tài)相變(biàn) , Tc 稱為(wéi)相變溫度,也稱居裏溫(wēn)度(dù)。不(bù)同的(dí)壓(yā)電材料,居(jū)裏(lǐ)溫度(dù)也會 不同。

如 BaTiO3 的(dí)居(jū)裏溫(wēn)度Tc 為(wéi)120 ℃, PbTiO3 的(dí)居裏溫(wēn)度(dù)是 490 ℃。當溫(wēn)度升高到 Tc 時(shí) ,立方(fāng)晶胞(bāo)的(dí)三(sān)個邊(biān)長(cháng)相(xiāng)等, 即(jí) :a =b =c ,這(zhè)時(shí)的電荷中(zhōng)心位於(yú)立方體中心(xīn), 壓電(diàn)陶瓷無(wú)壓電性(xìng) 。當溫度低於 Tc 時, 四方晶 胞的(dí)三個邊長不相(xiāng)等(děng), 即(jí):a =b <c ;產生了(liǎo)電(diàn)荷(hé)中(zhōng)心偏離, 具有壓(yā)電(diàn)性 。這(zhè)種(zhǒng)極化(huà)是自身產(chǎn)生的,並(bìng)不是外 加電(diàn)場所(suǒ)產(chǎn)生的。

對壓(yā)電(diàn)陶瓷(cí)進行極化(huà)處理時(shí)顯現(xiàn)出鐵電性 。二(èr)次 極化後會(huì)形成一(yī)個(gè)回(huí)路曲(qū)綫(xiàn),見(jiàn)圖 3 所(suǒ)示(shì)[ 1] 。

圖中(zhōng), Ps 為自發極(jí)化強度(dù);Pr 為剩餘極化強度; E c 為(wéi)矯(jiǎo)頑場強度。

從極(jí)化後(hòu)的電(diàn)滯回(huí)路曲綫(xiàn)可(kě)以(yǐ)看出 ,它和(hé)磁滯(zhì)回 路(lù)的曲(qū)綫(xiàn)很(hěn)相似(sì), 所以壓(yā)電陶(táo)瓷也被稱為鐵(tiě)電體。經過(guò)一(yī)次極(jí)化(huà)後(hòu)有了(liǎo)剩(shèng)餘(yú)極化強度 Pr ,以後每(měi)次(cì)極(jí)化(huà)時 ,它沿(yán)著這(zhè)條曲綫(xiàn)變化(huà)。不(bù)同的(dí)壓電材料(liào)有不同(tóng)的電(diàn)滯回(huí)路。

將(jiāng)一個交(jiāo)變的電場施加(jiā)於壓(yā)電陶瓷(cí)體上, 通(tōng)過(guò)示波器(qì)可以(yǐ)直(zhí)接(jiē)觀(guān)察到回滯曲(qū)綫(xiàn) 。當(dāng)電(diàn)場(cháng)增加到(dào)一定(dìng)強(qiáng)度時(shí),極化(huà)強度達(dá)到飽和(hé)。其(qí)中(zhōng) BC 段(duàn)為綫性(xìng)增(zēng)加(jiā), Ps 為自發極(jí)化強(qiáng)度(dù), 這時電(diàn)場為零 , 極化(huà)強(qiáng)度(dù)不(bù)等於零, P r 為剩餘極化強(qiáng)度。當(dāng)電場(cháng)反(fǎn)向增加(jiā)到 E c 時, 極化強(qiáng)度為零 。由於(yú) E c 點能使壓電陶瓷(cí)的極化(huà)強度為零 ,稱 Ec 為矯頑(wán)場(cháng)強度 。當(dāng)電(diàn)場(cháng)反(fǎn)向增加(jiā)時 ,極化(huà)強度(dù)也反向(xiàng)增加(jiā) 。當反(fǎn)向極化強度(dù)達(dá)到飽和後, 再(zài)減(jiǎn)小反向電(diàn)場,極化強度就會(huì)沿(yán)著曲綫(xiàn) HFC 綫(xiàn)變(biàn)化。

 極化(huà)工(gōng)藝是一(yī)個(gè)很(hěn)復雜的過(guò)程 , 極化時(shí)不僅要(yào)有較(jiào)高的電場(cháng) ,不同(tóng)的厚(hòu)度需要(yào)不同的(dí)時間 ,還要(yào)在較高(gāo)的溫度下才能(néng)達到(dào)*佳(jiā)極化效果(guǒ)。極化後的壓電陶(táo)瓷材(cái)料(liào)在一定的高溫下(xià)會(huì)失去(qù)極化效(xiào)應 , 不同(tóng)壓電材料有不同(tóng)的(dí)失效溫度(dù), 這一(yī)點(diǎn)在選(xuǎn)用(yòng)壓(yā)電陶(táo)瓷材料時(shí)需 注意(yì)。

壓(yā)電陶(táo)瓷(cí)的極化(huà), 是(shì)壓(yā)電檢波器設(shè)計(jì)人(rén)員(yuán)必須(xū)掌握的知識(shí)。壓(yā)電陶瓷材(cái)料(liào)極(jí)化前(qián)和極化(huà)後的(dí)差別是很(hěn)大的。