Piëzo-elektrische polarisatie- en hysteresislus

Polarisatie van piëzo-elektrische keramiek

 

Voordat de piëzo-elektrisch keramisch materiaal is niet gepolariseerd, de vrije elektronen zijn wanordelijk gerangschikt; na de polarisatiebehandeling wordt remanente polarisatie gegenereerd langs de polarisatierichting om een ​​anisotroop polykristal te worden, de vrije elektronen hebben de neiging consistent te zijn en de piëzo-elektriciteit wordt aanzienlijk verbeterd. Zoals weergegeven in figuur 1 en figuur 2 kunnen piëzo-elektrische keramische materialen in vormen en polarisatierichtingen worden gemaakt. De piëzo-elektrische keramische materialen voor en na polarisatie hebben verschillende diëlektrische constante ε en piëzo-elektrische constante d.

Stel de diëlektrische constante vóór polarisatie in: ε 11 = ε 22 = ε 33. Als de s gepolariseerd is in richting 3, staan ​​de andere twee elektrodevlakken loodrecht op de polarisatierichting. De diëlektrische constante na polarisatie: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, en de waarde van ε 33 is veel groter dan die van ε11.

De piëzo-elektrische constante van piëzo-elektrische keramiek is ook anisotroop, en de waarde van de piëzo-elektrische constante d in verschillende richtingen is ook verschillend. Onder hen is de waarde langs richting 3 groot, dat wil zeggen d33 >>d31 en d32. Indien gemeten met een galvanometer, is er alleen stroom in d33 en wordt er geen stroom gegenereerd in de andere twee richtingen. De polarisatie van piëzo-elektrische keramiek lijkt sterk op de magnetisatie van magneten, en de magnetische veldsterkte zal voor en na magnetisatie sterk veranderen.

 

Hysteresiscircuit van piëzo-elektrische keramiek

Piëzo-elektrische keramiekbol is polykristallijn, en wanneer de temperatuur hoger is dan de Curietemperatuur Tc, is het een kubisch rooster; wanneer de temperatuur lager is dan de Curietemperatuur Tc, is het een tetragonaal rooster en heeft het piëzo-elektriciteit. Het fenomeen dat het piëzo-elektrische materiaal de interne structuur van het materiaal bij de temperatuur Tc kan veranderen, wordt faseovergang in vaste toestand genoemd, en Tc wordt de faseovergangstemperatuur genoemd, ook bekend als de Curietemperatuur. Verschillende piëzo-elektrische materialen hebben verschillende Curietemperaturen.

 

De Curietemperatuur Tc van BaTiO3 is bijvoorbeeld 120 ° C en die van PbTiO3 is 490 ° C. Wanneer de temperatuur stijgt naar Tc, zijn de drie zijlengten van de kubieke eenheidscel gelijk, dat wil zeggen: a = b = c, op dit moment bevindt het ladingscentrum zich in het midden van de kubus en heeft piëzo-elektrische keramiek geen piëzo-elektriciteit. Wanneer de temperatuur lager is dan Tc, zijn de lengtes van de drie zijden van de tetragonale eenheidscel niet gelijk, namelijk: a = b

Ferro-elektriciteit ontstaat wanneer piëzo-elektrische keramiek gepolariseerd is. Na de tweede polarisatie zal een luscurve worden gevormd, zoals weergegeven in figuur 3 [1].

In de figuur is Ps de spontane polarisatie; Pr is de remanente polarisatie; Ec is de coërcitieve veldsterkte  .

Uit de hysteresisluscurve na polarisatie blijkt dat deze sterk lijkt op de hysteresisluscurve, dus piëzo-elektrische keramiek wordt ook wel ferro-elektrische materialen genoemd. Na één polarisatie is er een remanente polarisatie Pr, die daarna telkens langs deze curve verandert. Verschillende piëzo-elektrische materialen hebben verschillende hysteresislussen.

 

Er wordt een wisselend elektrisch veld aangelegd op het piëzo-elektrische keramische lichaam, en de hysteresiscurve kan direct worden waargenomen via een oscilloscoop. Wanneer het elektrische veld tot een bepaalde intensiteit toeneemt, bereikt de polarisatie-intensiteit verzadiging. Onder hen is de BC-sectie een lineaire toename, Ps is de spontane polarisatie-intensiteit, wanneer het elektrische veld nul is, is de polarisatie-intensiteit niet gelijk aan nul, en Pr is de remanente polarisatie-intensiteit. Wanneer het elektrische veld omgekeerd wordt vergroot tot Ec, is de polarisatie nul. Omdat het Ec-punt de polarisatie-intensiteit van piëzo-elektrische keramiek nul kan maken, wordt Ec de coërcitieve veldsterkte genoemd. Wanneer het elektrische veld in de tegenovergestelde richting toeneemt, neemt de polarisatie-intensiteit ook toe in de tegenovergestelde richting. Wanneer de omgekeerde polarisatie-intensiteit de verzadiging bereikt en vervolgens het omgekeerde elektrische veld vermindert, zal de polarisatie-intensiteit veranderen langs de HFC-curve.

 

Het polarisatieproces is een zeer gecompliceerd proces. Niet alleen moet er tijdens de polarisatie een hoog elektrisch veld nodig zijn, maar verschillende diktes vereisen ook verschillende tijden, en het beste polarisatie-effect moet worden bereikt bij een relatief hoge temperatuur. De gepolariseerd piëzo-elektrisch keramisch materiaal verliest het polarisatie-effect bij een bepaalde hoge temperatuur, en verschillende piëzo-elektrische materialen hebben verschillende faaltemperaturen, waar op moet worden gelet bij het selecteren van piëzo-elektrische keramische materialen. De polarisatieprestaties van piëzo-elektrische keramiek, het prestatieverschil tussen piëzo-elektrische keramische materialen voor en na polarisatie, zijn zeer groot.