П'єзоелектрична поляризація та петля гістерезису

Поляризація п'єзокераміки

 

Перед п'єзоелектричний керамічний матеріал не поляризований, вільні електрони розташовані безладно; після поляризаційної обробки залишкова поляризація генерується вздовж напрямку поляризації, щоб стати анізотропним полікристалом, вільні електрони мають тенденцію бути послідовними, а п’єзоелектрика значно посилюється. Як показано на рисунку 1 і малюнку 2, п’єзоелектричні керамічні матеріали можуть бути виготовлені у формі та напрямках поляризації. The п'єзоелектричні керамічні матеріали до і після поляризації мають різну діелектричну постійну ε і п'єзоелектричну постійну d.

Встановіть діелектричну проникність перед поляризацією: ε 11 = ε 22 = ε 33. Якщо s поляризовано вздовж напрямку 3, інші дві грані електрода перпендикулярні до напрямку поляризації. Діелектрична проникність після поляризації: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, причому значення ε 33 набагато більше значення ε11.

П'єзоелектрична постійна п'єзоелектричної кераміки також анізотропна, і значення п'єзоелектричної постійної d в різних напрямках також різне. Серед них значення вздовж напрямку 3 є великим, тобто d 33 >>d 31 і d 32 . Якщо виміряти за допомогою гальванометра, є лише струм в d33, і струм не генерується в інших двох напрямках. Поляризація п’єзоелектричної кераміки дуже схожа на намагніченість магнітів, і напруженість магнітного поля сильно змінюється до та після намагнічення.

 

Схема гістерезису п'єзокераміки

П'єзоелектрична керамічна сфера є полікристалічним, а коли його температура вища за температуру Кюрі Tc, це кубічна гратка; коли його температура нижча за температуру Кюрі Tc, це тетрагональна гратка і має п’єзоелектрику. Явище, коли п’єзоелектричний матеріал може змінювати внутрішню структуру матеріалу за температури Tc, називається фазовим переходом у твердому стані, а Tc називається температурою фазового переходу, також відомою як температура Кюрі. Різні п'єзоелектричні матеріали мають різні температури Кюрі.

 

Наприклад, температура Кюрі BaTiO3 становить 120 ° C, а PbTiO3 - 490 ° C. Коли температура підвищується до Tc, три довжини сторін кубічної елементарної комірки рівні, тобто: a = b = c, в цей час центр заряду знаходиться в центрі куба, і п'єзокераміка не має п'єзоелектрики. Коли температура нижча за Tc, довжини трьох сторін тетрагональної елементарної комірки не рівні, а саме: a = b

Сегнетоелектрика виникає при поляризації п'єзокераміки. Після другої поляризації буде сформована петлева крива, як показано на рис. 3 [1].

На малюнку Ps — спонтанна поляризація; Pr – залишкова поляризація; Ec – напруженість коерцитивного поля  .

З кривої петлі гістерезису після поляризації видно, що вона дуже схожа на криву петлі гістерезису, тому п’єзоелектричну кераміку також називають сегнетоелектриками. Після однієї поляризації виникає залишкова поляризація Pr, яка щоразу змінюється вздовж цієї кривої. Різні п'єзоелектричні матеріали мають різні петлі гістерезису.

 

Змінне електричне поле прикладається до п’єзоелектричного керамічного корпусу, і криву гістерезису можна безпосередньо спостерігати за допомогою осцилографа. Коли електричне поле зростає до певної напруженості, інтенсивність поляризації досягає насичення. Серед них ділянка BC - це лінійне зростання, Ps - інтенсивність спонтанної поляризації, коли електричне поле дорівнює нулю, інтенсивність поляризації не дорівнює нулю, і P r - інтенсивність залишкової поляризації. Коли електричне поле зворотно збільшується до Ec, поляризація дорівнює нулю. Оскільки точка Ec може зробити інтенсивність поляризації п’єзоелектричної кераміки нульовою, Ec називається напруженістю коерцитивного поля. Коли електричне поле збільшується в протилежному напрямку, інтенсивність поляризації також зростає в протилежному напрямку. Коли інтенсивність зворотної поляризації досягає насичення, а потім зменшується зворотне електричне поле, інтенсивність поляризації буде змінюватися вздовж лінії кривої HFC.

 

Процес поляризації - дуже складний процес. Під час поляризації необхідно не тільки сильне електричне поле, але й різні товщини вимагають різного часу, а найкращий ефект поляризації має бути досягнутий при відносно високій температурі. The Поляризований п'єзоелектричний керамічний матеріал втратить ефект поляризації при певній високій температурі, а різні п'єзоелектричні матеріали мають різні температури руйнування, на що слід звернути увагу при виборі п'єзоелектричних керамічних матеріалів. Ефективність поляризації п’єзоелектричної кераміки, різниця в продуктивності між п’єзоелектричними керамічними матеріалами до та після поляризації дуже велика.