Piezoelektrična polarizacija i petlja histereze

Polarizacija piezoelektrične keramike

 

Prije piezoelektrični keramički materijal nije polariziran, slobodni elektroni raspoređeni su u neredu; nakon polarizacijskog tretmana, zaostala polarizacija se generira duž smjera polarizacije da postane anizotropni polikristal, slobodni elektroni imaju tendenciju da budu konzistentni, a piezoelektricitet je znatno povećan. Kao što je prikazano na slici 1 i slici 2, piezoelektrični keramički materijali mogu se oblikovati u oblike i smjerove polarizacije. The piezoelektrični keramički materijali prije i poslije polarizacije imaju različitu dielektričnu konstantu ε i piezoelektričnu konstantu d.

Postavite dielektričnu konstantu prije polarizacije: ε 11 = ε 22 = ε 33. Ako s je polarizirana duž smjera 3, druga dva lica elektrode su okomita na smjer polarizacije. Dielektrična konstanta nakon polarizacije: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, a vrijednost ε 33 mnogo je veća od vrijednosti ε11.

Piezoelektrična konstanta piezoelektrične keramike također je anizotropna, a vrijednost piezoelektrične konstante d duž različitih smjerova također je različita. Među njima je velika vrijednost duž pravca 3, odnosno d 33 >>d 31 i d 32 . Ako se mjeri galvanometrom, struja postoji samo u d33, au druga dva smjera nema struje. Polarizacija piezoelektrične keramike vrlo je slična magnetizaciji magneta, a jakost magnetskog polja će se jako promijeniti prije i nakon magnetizacije.

 

Krug histereze piezoelektrične keramike

Piezoelektrična keramička kugla je polikristalna, a kada joj je temperatura viša od Curiejeve temperature Tc, to je kubna rešetka; kada je njegova temperatura ispod Curiejeve temperature Tc, to je tetragonalna rešetka i ima piezoelektricitet. Fenomen da piezoelektrični materijal može promijeniti unutarnju strukturu materijala na temperaturi Tc naziva se fazni prijelaz čvrstog stanja, a Tc se naziva temperatura faznog prijelaza, također poznata kao Curiejeva temperatura. Različiti piezoelektrični materijali imaju različite Curiejeve temperature.

 

Na primjer, Curiejeva temperatura Tc za BaTiO3 je 120 ° C, a za PbTiO3 je 490 ° C. Kada temperatura poraste na Tc, tri duljine stranica kubične jedinične ćelije su jednake, to jest: a = b = c, u ovom trenutku centar naboja nalazi se u središtu kocke, a piezoelektrična keramika nema piezoelektricitet. Kada je temperatura niža od Tc, duljine triju stranica tetragonalne jedinične ćelije nisu jednake, naime: a = b

Feroelektricitet se javlja kada je piezoelektrična keramika polarizirana. Nakon druge polarizacije formirat će se krivulja petlje, kao što je prikazano na slici 3 [1].

Na slici je Ps spontana polarizacija; Pr je remanentna polarizacija; Ec je jakost koercitivnog polja  .

Iz krivulje histerezne petlje nakon polarizacije vidljivo je da je vrlo slična krivulji histerezne petlje, pa se piezoelektrična keramika naziva i feroelektrikom. Nakon jedne polarizacije postoji remanentna polarizacija Pr, koja se svaki put nakon toga mijenja po ovoj krivulji. Različiti piezoelektrični materijali imaju različite petlje histereze.

 

Na piezoelektrično keramičko tijelo primjenjuje se izmjenično električno polje, a krivulja histereze može se izravno promatrati kroz osciloskop. Kad se električno polje poveća do određenog intenziteta, intenzitet polarizacije doseže zasićenje. Među njima, BC dionica je linearni porast, Ps je intenzitet spontane polarizacije, kada je električno polje nula, intenzitet polarizacije nije jednak nuli, a P r je intenzitet remanentne polarizacije. Kada se električno polje obrnuto poveća na Ec, polarizacija je nula. Budući da Ec točka može učiniti intenzitet polarizacije piezoelektrične keramike nula, Ec se naziva jakost koercitivnog polja. Kada električno polje raste u suprotnom smjeru, intenzitet polarizacije također raste u suprotnom smjeru. Kada intenzitet obrnute polarizacije dosegne zasićenje, a zatim smanji obrnuto električno polje, intenzitet polarizacije će se promijeniti duž HFC linije krivulje.

 

Proces polarizacije je vrlo kompliciran proces. Ne samo da mora biti potrebno visoko električno polje tijekom polarizacije, već različite debljine zahtijevaju različita vremena, a najbolji učinak polarizacije mora se postići pri relativno visokoj temperaturi. The polarizirani piezoelektrični keramički materijal izgubit će učinak polarizacije na određenoj visokoj temperaturi, a različiti piezoelektrični materijali imaju različite temperature kvara, na što treba obratiti pozornost pri odabiru piezoelektričnih keramičkih materijala. Polarizacijske performanse piezoelektrične keramike, razlika u performansama između piezoelektričnih keramičkih materijala prije i poslije polarizacije je vrlo velika.