Piezoelektrisk polarisering och hysteresloop

Polarisering av piezoelektrisk keramik

 

Innan piezoelektriskt keramiskt material är inte polariserat, de fria elektronerna är ordnade i oordning; efter polarisationsbehandlingen genereras remanent polarisation längs polarisationsriktningen för att bli en anisotrop polykristall, de fria elektronerna tenderar att vara konsekventa och piezoelektriciteten förbättras avsevärt. Såsom visas i figur 1 och figur 2 kan piezoelektriska keramiska material göras till former och polarisationsriktningar. De piezoelektriska keramiska material före och efter polarisering har olika dielektricitetskonstant ε och piezoelektrisk konstant d.

Ställ in dielektricitetskonstanten före polarisering: ε 11 = ε 22 = ε 33. Om den s är polariserad längs riktning 3 är de andra två elektrodytorna vinkelräta mot polarisationsriktningen. Dielektricitetskonstanten efter polarisation: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, och värdet på ε 33 är mycket större än värdet för ε11.

Den piezoelektriska konstanten för piezoelektrisk keram är också anisotropisk, och värdet på den piezoelektriska konstanten d längs olika riktningar är också olika. Bland dem är värdet längs riktning 3 stort, det vill säga d 33 >>d 31 och d 32 . Om man mäter med en galvanometer finns det bara ström i d33, och ingen ström genereras i de andra två riktningarna. Polariseringen av piezoelektrisk keramik är mycket lik magnetiseringen av magneter, och magnetfältets styrka kommer att förändras kraftigt före och efter magnetisering.

 

Hystereskrets av piezoelektrisk keramik

Piezoelektrisk keramisk sfär är polykristallin, och när dess temperatur är högre än Curie-temperaturen Tc, är den ett kubiskt gitter; när dess temperatur är under Curie-temperaturen Tc är det ett tetragonalt gitter och har piezoelektricitet. Fenomenet att det piezoelektriska materialet kan förändra materialets inre struktur vid temperaturen Tc kallas fastfasövergång och Tc kallas fasövergångstemperaturen, även känd som Curie-temperaturen. Olika piezoelektriska material har olika Curie-temperaturer.

 

Till exempel är Curie-temperaturen Tc för BaTiO3 120 ° C, och den för PbTiO3 är 490 ° C. När temperaturen stiger till Tc är de tre sidolängderna av den kubiska enhetscellen lika, det vill säga: a = b = c, vid denna tidpunkt är laddningscentrum beläget i mitten av kuben, och piezoelektrisk har ingen piezoelektrisk elektricitet. När temperaturen är lägre än Tc är längden på de tre sidorna av den tetragonala enhetscellen inte lika, nämligen: a = b

Ferroelektricitet uppträder när piezoelektrisk keram är polariserad. Efter den andra polariseringen kommer en loopkurva att bildas, som visas i Fig. 3 [1].

I figuren är Ps den spontana polariseringen; Pr är den remanenta polarisationen; Ec är tvångsfältets  styrka.

Man kan se från hysteresloopkurvan efter polarisering att den är väldigt lik hysteresloopkurvan, så piezoelektrisk keramik kallas också ferroelektrisk. Efter en polarisering finns det en remanent polarisation Pr, som ändras längs denna kurva varje gång efteråt. Olika piezoelektriska material har olika hysteresloopar.

 

Ett alternerande elektriskt fält appliceras på den piezoelektriska keramiska kroppen, och hystereskurvan kan observeras direkt genom ett oscilloskop. När det elektriska fältet ökar till en viss intensitet når polarisationsintensiteten mättnad. Bland dem är BC-sektionen en linjär ökning, Ps är den spontana polarisationsintensiteten, när det elektriska fältet är noll är polarisationsintensiteten inte lika med noll och P r är den remanenta polarisationsintensiteten. När det elektriska fältet ökas omvänt till Ec är polarisationen noll. Eftersom Ec-punkten kan göra polarisationsintensiteten för piezoelektrisk keramik noll, kallas Ec den koercitiva fältstyrkan. När det elektriska fältet ökar i motsatt riktning ökar polarisationsintensiteten också i motsatt riktning. När den omvända polarisationsintensiteten når mättnad, och sedan minska det omvända elektriska fältet, kommer polarisationsintensiteten att ändras längs kurvans HFC-linje.

 

Polariseringsprocessen är en mycket komplicerad process. Inte bara måste ett högt elektriskt fält krävas under polarisering, utan olika tjocklekar kräver olika tider, och den bästa polarisationseffekten måste uppnås vid en relativt hög temperatur. De polariserat piezoelektriskt keramiskt material kommer att förlora polarisationseffekten vid en viss hög temperatur, och olika piezoelektriska material har olika feltemperaturer, vilket bör uppmärksammas vid val av piezoelektriska keramiska material. Polarisationsprestandan för piezoelektrisk keramik, prestandaskillnaden mellan piezoelektriska keramiska material före och efter polarisering är mycket stor.