压电陶瓷的极化原理和测试方法

杜克相 潘中印 段亚玲

(东方地球物理公司装备制造事业部 陕西西安)

压电陶瓷的极化原理和测试方法

杜克相 潘中印 段亚玲

(东方地球物理公司装备制造事业部 陕西西安)

压电陶瓷材料的“铁电性”是压电材料的一个重要性能。对压电陶瓷材料做极化处理,使压电材料有了方向性,也使压电性有一个质的飞跃。文章介绍了有关压电陶瓷材料的极化处理知识和压电陶瓷的常用测量方法,以便压电地震检波器的设计人员在选用压电陶瓷材料时能更方便、更准确。

地震检波器;压电陶瓷;极化;测试方法

0 引 言

压电地震检波器是一种加速度检波器,地震勘探中应用很广泛,尤其是海洋压电检波器,近年来得到大量的应用。但是人们对压电陶瓷的知识,以及极化性能了解的并不多。本文介绍的有关压电陶瓷方面的知识,就是为了让地震检波器设计人员掌握和了解压电陶瓷的性能,在设计压电检波器时能更好地掌握压电陶瓷材料。

目前,压电材料的应用已经渗透到了人们的生活及科学技术领域中的众多方面。压电材料自从发现以来,发展迅速,人们已经掌握了压电材料的很多特性。对压电材料的认识大致分为三个阶段:①人们仅仅认识和发现了压电材料的高介电常数;②认识了压电材料的铁电性;③人们偶然发现了压电材料的极化性能。但当发现BaTiO3新型压电材料后,人们对压电材料的认识有了一个质的变化。在研究BaTiO3压电材料时,有人对BaTiO3材料施加一个直流偏压后其压电性有所增强。即使撤去电压后,这种效果仍然能部分保留下来。这一发现开始了压电陶瓷材料的新时代。

1 压电陶瓷极化与电滞回路

1.1 压电陶瓷的极化

压电陶瓷材料没极化前自由电子是无序排列的;极化处理后,沿极化方向产生剩余极化成为各向异性的多晶体,自由电子趋向一致,压电性大大增强。如图1、图2所示,压电陶瓷材料可以做成任意形状、任意极化方向。极化前后的压电陶瓷材料有着不同的介电常数ε和压电常数d。

图1 极化前

图2 极化方向

设极化前的介电常数:ε11=ε22=ε33。如果沿方向3对压电材料进行极化,另两个电极面垂直于极化方向。极化后的介电常数:ε11=ε22≠ε33,而ε33值比ε11要大得多。

压电陶瓷的压电常数也具有各向异性,沿不同方向压电常数 d的值也是不同的。其中沿方向3的值最大,即 d33>>d31和 d32。如果用电流计测量时,只有 d33中有电流,其它两个方向不产生电流。压电陶瓷的极化同磁铁的充磁很类似,充磁前和充磁后的磁场强度会发生很大的变化。

1.2 压电陶瓷的电滞回路

压电陶瓷是多晶体,当其温度高于居里温度Tc时呈立方晶格;而当其温度在居里温度Tc以下时,则呈四方晶格并具有压电性。压电材料在温度Tc时能改变材料内部组织这种现象称为固态相变,Tc称为相变温度,也称居里温度。不同的压电材料,居里温度也会不同。

如BaTiO3的居里温度Tc为120℃,PbTiO3的居里温度是490℃。当温度升高到Tc时,立方晶胞的三个边长相等,即:a=b=c,这时的电荷中心位于立方体中心,压电陶瓷无压电性。当温度低于Tc时,四方晶胞的三个边长不相等,即:a=b

对压电陶瓷进行极化处理时显现出铁电性。二次极化后会形成一个回路曲线,见图3所示[1]。

图3 电滞回路曲线

图中,Ps为自发极化强度;Pr为剩余极化强度; Ec为矫顽场强度。

从极化后的电滞回路曲线可以看出,它和磁滞回路的曲线很相似,所以压电陶瓷也被称为铁电体。经过第一次极化后有了剩余极化强度 Pr,以后每次极化时,它沿着这条曲线变化。不同的压电材料有不同的电滞回路。

将一个交变的电场施加于压电陶瓷体上,通过示波器可以直接观察到回滞曲线。当电场增加到一定强度时,极化强度达到饱和。其中BC段为线性增加,Ps为自发极化强度,这时电场为零,极化强度不等于零, Pr为剩余极化强度。当电场反向增加到 Ec时,极化强度为零。由于 Ec点能使压电陶瓷的极化强度为零,称 Ec为矫顽场强度。当电场反向增加时,极化强度也反向增加。当反向极化强度达到饱和后,再减小反向电场,极化强度就会沿着曲线 HFC线变化。

极化工艺是一个很复杂的过程,极化时不仅要有较高的电场,不同的厚度需要不同的时间,还要在较高的温度下才能达到最佳极化效果。极化后的压电陶瓷材料在一定的高温下会失去极化效应,不同压电材料有不同的失效温度,这一点在选用压电陶瓷材料时需注意。

压电陶瓷的极化性能,是压电检波器设计人员必须掌握的知识。压电陶瓷材料极化前和极化后的性能差别是很大的。

2 压电陶瓷的测量方法

压电陶瓷的测试方法有电测法、声测法、力测法和光测法等,其中以电测法为常用。由于压电材料对力较为敏感,所以在电测法中,压电片处于力学状态。电测法又可分为静态法和动态法[2]。

2.1 静态法

静态法是压电材料不发生交变的情况下进行测量的一种方法。见图4。

图4 静态测试法

注:开关K的作用是为了避免加力时引起误差。

将K先合上使压电片短路,加压力后再打开开关K,使电荷全部施放到电容 C上。原则上讲电容 C越大越好。

静态法主要用于测试压电陶瓷材料的压电常数。测量时要施加一定大小和方向的力。根据压电效应,被测试体由于变形会产生一定的电荷。设施加的力为F,沿垂直方向(图2中3方向)。两电极上产生的电荷为[3]:

式中,d33压电常数,(库/牛);Q为电荷量;F为力。

图5是被测压电片的内部等效电路。它由电感、电容和电阻串并联而成,其中电阻与压电陶瓷材料的机械损耗有关系。

图中,L1为等效电感; R1为等效电阻;C1为动态电容;C0为静态电容。

用静电计测得的电压与电荷关系如下:

将式(1)代入式(2):

图5 压电陶瓷片的等效电路

式中,Q为电荷量;C0为静态电容;C为外加并联电容;U为电压。

压电常数 d33是压电陶瓷材料极化后的一个重要指标,它的大小和压电片的灵敏度有关。

2.2 动态法

压电陶瓷材料制成的压电检波器,其主要指标是它的谐振频率。如果知道了它的最大阻抗频率和最小阻抗频率,压电振子的的特性就一目了然。动态测试法原理见图6。图中的电阻R要小于压电振子的等效电阻R1。

图6 简易动态测试法

由低频向高频逐步调节信号发生器输入电压的频率,当调节到某一频率点并使压电振子发生谐振时,输出电流最大,振子阻抗最小。称为最小阻抗频率,用fm表示;当频率继续增大到某一频率点时,输出电流最小,阻抗最大,称为最大阻抗频率,用fn表示。

3 结束语

极化前后的压电陶瓷材料有着不同的介电常数ε和压电常数 d,采用简单易行的静态和动态测试法可以用来测试压电陶瓷材料的压电常数和谐振频率,得到压电陶瓷振子频率与阻抗的关系,使得地震检波器设计人员对压电陶瓷材料有一个系统的认识,给压电检波器设计带来方便。但动态测试法的缺点是测试结果有一定的误差,得到的是近似值。

[1] 《压电陶瓷应用》电子陶瓷情报网.压电陶瓷应用[M].济南:山东大学出版社,1985

[2] 范坤泰.压电陶陶瓷基本知识.山东大学信息学院出版社,2005

[3] 王永令,金同寿.《电子元件与材料》电子元件与材料编辑部特刊,电子工业科技情报网,压电陶瓷材料性能测试方法专集(特刊),1984

Du Kexiang,Pan Zhongyin and Duan Yaling.Polarizing principle of piezoceramic and its test methods.PI, 2010,24(4):32～33

Ferroelectricity is an important specification of piezoceramic material,which can be polarized to a fixed direction to improve piezoceramic′s functions.The paper introduces polarizing principle and test methods of piezoceramic material.

Geophone;piezoceramic material;polarize;test method

TN384

B

1004-9134(2010)04-0032-02

杜克相,男,1954年生,工程师,1978年毕业于西北工业大学压力加工专业,现在东方物探西安物探装备分公司从事新型检波器的研发工作。邮编:710082

2009-12-11 编辑:刘雅铭)

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