Polarizare piezoelectrică și buclă de histerezis

Polarizarea ceramicii piezoelectrice

 

Înainte de materialul ceramic piezoelectric nu este polarizat, electronii liberi sunt dispuși în dezordine; după tratamentul de polarizare, polarizarea remanentă este generată de-a lungul direcției de polarizare pentru a deveni un policrist anizotrop, electronii liberi tind să fie consecvenți, iar piezoelectricitatea este mult îmbunătățită. După cum se arată în Figura 1 și Figura 2, materialele ceramice piezoelectrice pot fi făcute în forme și direcții de polarizare. The Materialele ceramice piezoelectrice înainte și după polarizare au constantă dielectrică ε și constantă piezoelectrică d.

Setați constanta dielectrică înainte de polarizare: ε 11 = ε 22 = ε 33. Dacă s este polarizat de-a lungul direcției 3, celelalte două fețe ale electrodului sunt perpendiculare pe direcția de polarizare. Constanta dielectrică după polarizare: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, iar valoarea lui ε 33 este mult mai mare decât cea a lui ε11.

Constanta piezoelectrică a ceramicii piezoelectrice este, de asemenea, anizotropă, iar valoarea constantei piezoelectrice d de-a lungul diferitelor direcții este, de asemenea, diferită. Dintre acestea, valoarea de-a lungul direcției 3 este mare, adică d 33 >>d 31 și d 32 . Dacă se măsoară cu un galvanometru, există doar curent în d33 și nu se generează curent în celelalte două direcții. Polarizarea ceramicii piezoelectrice este foarte similară cu magnetizarea magneților, iar puterea câmpului magnetic se va schimba foarte mult înainte și după magnetizare.

 

Circuitul de histerezis al ceramicii piezoelectrice

Sferă ceramică piezoelectrică este policristalin, iar când temperatura sa este mai mare decât temperatura Curie Tc, este o rețea cubică; când temperatura sa este sub temperatura Curie Tc, este o rețea tetragonală și are piezoelectricitate. Fenomenul conform căruia materialul piezoelectric poate modifica structura internă a materialului la temperatura Tc se numește tranziție de fază în stare solidă, iar Tc se numește temperatura de tranziție de fază, cunoscută și sub denumirea de temperatură Curie. Diferitele materiale piezoelectrice au temperaturi diferite de Curie.

 

De exemplu, temperatura Curie Tc a BaTiO3 este de 120 ° C, iar cea a PbTiO3 este de 490 ° C. Când temperatura crește la Tc, cele trei lungimi laterale ale celulei unității cubice sunt egale, adică: a = b = c, în acest moment centrul de sarcină este situat în centrul cubului, iar ceramica piezoelectrică nu are piezoelectricitate. Când temperatura este mai mică decât Tc, lungimile celor trei laturi ale celulei unitare tetragonale nu sunt egale și anume: a = b

Feroelectricitatea apare atunci când ceramica piezoelectrică este polarizată. După a doua polarizare, se va forma o curbă buclă, așa cum se arată în Fig. 3 [1].

În figură, Ps este polarizarea spontană; Pr este polarizarea remanentă; Ec este puterea câmpului coercitiv  .

Din curba buclei de histerezis după polarizare se poate observa că este foarte asemănătoare cu curba buclei de histerezis, astfel încât ceramica piezoelectrică se mai numește și feroelectrice. După o polarizare, există o polarizare remanentă Pr, care se modifică de-a lungul acestei curbe de fiecare dată după aceea. Materialele piezoelectrice diferite au bucle de histerezis diferite.

 

Un câmp electric alternativ este aplicat corpului ceramic piezoelectric, iar curba de histerezis poate fi observată direct printr-un osciloscop. Când câmpul electric crește la o anumită intensitate, intensitatea de polarizare ajunge la saturație. Printre acestea, secțiunea BC este o creștere liniară, Ps este intensitatea de polarizare spontană, când câmpul electric este zero, intensitatea de polarizare nu este egală cu zero și P r este intensitatea de polarizare remanentă. Când câmpul electric este crescut invers la Ec, polarizarea este zero. Deoarece punctul Ec poate face ca intensitatea de polarizare a ceramicii piezoelectrice să fie zero, Ec se numește intensitatea câmpului coercitiv. Când câmpul electric crește în sens opus, intensitatea polarizării crește și în sens opus. Când intensitatea de polarizare inversă atinge saturația și apoi reduce câmpul electric invers, intensitatea polarizării se va modifica de-a lungul liniei curbei HFC.

 

Procesul de polarizare este un proces foarte complicat. Nu numai că trebuie să fie necesar un câmp electric ridicat în timpul polarizării, dar diferite grosimi necesită timpi diferiți, iar cel mai bun efect de polarizare trebuie obținut la o temperatură relativ ridicată. The Materialul ceramic piezoelectric polarizat va pierde efectul de polarizare la o anumită temperatură ridicată, iar diferitele materiale piezoelectrice au temperaturi diferite de defecțiune, cărora trebuie să se acorde atenție atunci când se selectează materialele ceramice piezoelectrice. Performanța de polarizare a ceramicii piezoelectrice, diferența de performanță între materialele ceramice piezoelectrice înainte și după polarizare este foarte mare.