Polarizzazione piezoelettrica e ciclo di isteresi

Polarizzazione delle ceramiche piezoelettriche

 

Prima del il materiale ceramico piezoelettrico non è polarizzato, gli elettroni liberi sono disposti in disordine; dopo il trattamento di polarizzazione, la polarizzazione rimanente viene generata lungo la direzione di polarizzazione per diventare un policristallo anisotropo, gli elettroni liberi tendono ad essere coerenti e la piezoelettricità è notevolmente migliorata. Come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2, i materiali ceramici piezoelettrici possono essere realizzati in forme e direzioni di polarizzazione. IL i materiali ceramici piezoelettrici prima e dopo la polarizzazione hanno una costante dielettrica ε e una costante piezoelettrica d diverse.

Impostare la costante dielettrica prima della polarizzazione: ε 11 = ε 22 = ε 33. Se s è polarizzato lungo la direzione 3, le altre due facce dell'elettrodo sono perpendicolari alla direzione di polarizzazione. La costante dielettrica dopo la polarizzazione: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, e il valore di ε 33 è molto maggiore di quello di ε11.

Anche la costante piezoelettrica della ceramica piezoelettrica è anisotropa e anche il valore della costante piezoelettrica d lungo direzioni diverse è diverso. Tra questi, il valore lungo la direzione 3 è grande, cioè d 33 >>d 31 e d 32 . Se misurato con un galvanometro, c'è corrente solo in d33 e non viene generata corrente nelle altre due direzioni. La polarizzazione della ceramica piezoelettrica è molto simile alla magnetizzazione dei magneti e l' intensità del campo magnetico cambierà notevolmente prima e dopo la magnetizzazione.

 

Circuito di isteresi di ceramiche piezoelettriche

Sfera in ceramica piezoelettrica è policristallino, e quando la sua temperatura è superiore alla temperatura di Curie Tc, è un reticolo cubico; quando la sua temperatura è inferiore alla temperatura di Curie Tc, è un reticolo tetragonale e possiede piezoelettricità. Il fenomeno per cui il materiale piezoelettrico può modificare la struttura interna del materiale alla temperatura Tc è chiamato transizione di fase allo stato solido e Tc è chiamata temperatura di transizione di fase, nota anche come temperatura di Curie. Diversi materiali piezoelettrici hanno diverse temperature di Curie.

 

Ad esempio, la temperatura Curie Tc di BaTiO3 è 120 ° C e quella di PbTiO3 è 490 ° C. Quando la temperatura sale a Tc, le tre lunghezze dei lati della cella unitaria cubica sono uguali, cioè: a = b = c, in questo momento il centro di carica si trova al centro del cubo e le ceramiche piezoelettriche non hanno piezoelettricità. Quando la temperatura è inferiore a Tc, le lunghezze dei tre lati della cella unitaria tetragonale non sono uguali, cioè: a = b

La ferroelettricità appare quando le ceramiche piezoelettriche sono polarizzate. Dopo la seconda polarizzazione, si formerà una curva ad anello, come mostrato in Fig. 3 [1].

Nella figura Ps è la polarizzazione spontanea; Pr è la polarizzazione rimanente; Ec è l'  intensità del campo coercitivo.

Dalla curva del ciclo di isteresi dopo la polarizzazione si può vedere che è molto simile alla curva del ciclo di isteresi, quindi le ceramiche piezoelettriche sono anche chiamate ferroelettrici. Dopo una polarizzazione c'è una polarizzazione rimanente Pr, che cambia ogni volta lungo questa curva. Diversi materiali piezoelettrici hanno diversi cicli di isteresi.

 

Al corpo ceramico piezoelettrico viene applicato un campo elettrico alternato e la curva di isteresi può essere osservata direttamente tramite un oscilloscopio. Quando il campo elettrico aumenta fino ad una certa intensità, l'intensità di polarizzazione raggiunge la saturazione. Tra questi, la sezione BC è un aumento lineare, Ps è l'intensità di polarizzazione spontanea, quando il campo elettrico è zero, l'intensità di polarizzazione non è uguale a zero e P r è l'intensità di polarizzazione rimanente. Quando il campo elettrico viene aumentato in modo inverso fino a Ec, la polarizzazione è zero. Poiché il punto Ec può rendere pari a zero l'intensità di polarizzazione della ceramica piezoelettrica, Ec è chiamata intensità del campo coercitivo. Quando il campo elettrico aumenta nella direzione opposta, anche l'intensità di polarizzazione aumenta nella direzione opposta. Quando l'intensità della polarizzazione inversa raggiunge la saturazione e quindi si riduce il campo elettrico inverso, l'intensità della polarizzazione cambierà lungo la linea della curva HFC.

 

Il processo di polarizzazione è un processo molto complicato. Non solo deve essere richiesto un campo elettrico elevato durante la polarizzazione, ma spessori diversi richiedono tempi diversi e il miglior effetto di polarizzazione deve essere ottenuto a una temperatura relativamente elevata. IL il materiale ceramico piezoelettrico polarizzato perderà l'effetto di polarizzazione a una certa temperatura elevata e diversi materiali piezoelettrici hanno temperature di guasto diverse, a cui è necessario prestare attenzione quando si selezionano materiali ceramici piezoelettrici. Le prestazioni di polarizzazione della ceramica piezoelettrica, la differenza di prestazioni tra i materiali ceramici piezoelettrici prima e dopo la polarizzazione è molto ampia.