壓電陶瓷的極化原理和測試方法

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1、石油儀器·32·PETROLEUMINSTRUMENTS2010年08月·儀器設備·壓電陶瓷的極化原理和測試方法杜克相潘中印段亞玲(東方地球物理公司裝備制造事業(yè)部陜西西安)摘要：壓電陶瓷材料的“鐵電性”是壓電材料的一個重要性能。對壓電陶瓷材料做極化處理，使壓電材料有了方向性，也使壓電性有一個質(zhì)的飛躍。文章介紹了有關壓電陶瓷材料的極化處理知識和壓電陶瓷的常用測量方法，以便壓電地震檢波器的設計人員在選用壓電陶瓷材料時能更方便、更準確。關鍵詞：地震檢波器；壓電陶瓷；極化；測試方法中圖法分類號：TN384文獻標識碼：B文章編號：1004—9134(2010)0

2、4．0032．02O引言化方向。極化前后的壓電陶瓷材料有著不同的介電常數(shù)￡和壓電常數(shù)d。壓電地震檢波器是一種加速度檢波器，地震勘探3中應用很廣泛，尤其是海洋壓電檢波器，近年來得到大面量的應用。但是人們對壓電陶瓷的知識，以及極化性能了解的并不多。本文介紹的有關壓電陶瓷方面的知：識，就是為了讓地震檢波器設計人員掌握和了解壓電2陶瓷的性能，在設計壓電檢波器時能更好地掌握壓電圖1極化前圖2極化方向陶瓷材料。設極化前的介電常數(shù)：￡l】=￡22=￡33。如果沿方目前，壓電材料的應用已經(jīng)滲透到了人們的生活向3對壓電材料進行極化，另兩個電極面垂直于極化及科學技術領域中

3、的眾多方面。壓電材料自從發(fā)現(xiàn)以方向。極化后的介電常數(shù)：￡l1=￡22≠s33，而E33值比來，發(fā)展迅速，人們已經(jīng)掌握了壓電材料的很多特性。e】】要大得多。對壓電材料的認識大致分為三個階段：①人們僅僅認壓電陶瓷的壓電常數(shù)也具有各向異性，沿不同方識和發(fā)現(xiàn)了壓電材料的高介電常數(shù)；②認識了壓電材向壓電常數(shù)d的值也是不同的。其中沿方向3的值料的鐵電性；③人們偶然發(fā)現(xiàn)了壓電材料的極化性能。最大，即d33>>d3l和d32。如果用電流計測量時，只但當發(fā)現(xiàn)BaTiO3新型壓電材料后，人們對壓電材料的有d33中有電流，其它兩個方向不產(chǎn)生電流。壓電陶認識有了一個質(zhì)的變化。

4、在研究BaTiO3壓電材料時，瓷的極化同磁鐵的充磁很類似，充磁前和充磁后的磁有人對BaTiO3材料施加一個直流偏壓后其壓電性有場強度會發(fā)生很大的變化。所增強。即使撤去電壓后，這種效果仍然能部分保留1．2壓電陶瓷的電滯回路下來。這一發(fā)現(xiàn)開始了壓電陶瓷材料的新時代。壓電陶瓷是多晶體，當其溫度高于居里溫度Te時呈立方品格；而當其溫度在居里溫度Tc以下時，則呈1壓電陶瓷極化與電滯回路四方晶格并具有壓電性。壓電材料在溫度Tc時能改1．1壓電陶瓷的極化變材料內(nèi)部組織這種現(xiàn)象稱為固態(tài)相變，Te稱為相變壓電陶瓷材料沒極化前自由電子是無序排列的；溫度，也稱居里溫度。不同

5、的壓電材料，居里溫度也會極化處理后，沿極化方向產(chǎn)生剩余極化成為各向異性不同。的多晶體，自由電子趨向一致，壓電性大大增強。如圖如BaTiO3的居里溫度Tc為120~C，PbTiO3的居里1、圖2所示，壓電陶瓷材料可以做成任意形狀、任意極溫度是490％。當溫度升高到Tc時，立方晶胞的三個第一作者簡介：杜克相，男，1954年生，工程師，1978年畢業(yè)于西北工業(yè)大學壓力加工專業(yè)，現(xiàn)在東方物探西安物探裝備分公司從事新型檢波器的研發(fā)工作。郵編：7100822010年第24卷第4期杜克相等：壓電陶瓷的極化原理和測試方法·33·邊長相等，即：。=6=c，這時的電荷中心

6、位于立方體光測法等，其中以電測法為常用。由于壓電材料對力中心，壓電陶瓷無壓電性。當溫度低于Tc時，四方晶較為敏感，所以在電測法中，壓電片處于力學狀態(tài)。電胞的三個邊長不相等，即：口=b

7、～一圖4靜態(tài)測試法注：開關K的作用是為了避免加力時引起誤差。F以后的極化日將K

8、先合上使壓電片短路，加壓力后再打開開關K，使電荷全部施放到電容C上。原則上講電容c越圖3電滯回路曲線大越好。圖中，Ps為自發(fā)極化強度；Pr為剩余極化強度；靜態(tài)法主要用于測試壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)。Ec為矯頑場強度。測量時要施加一定大小和方向的力。根據(jù)壓電效應，從極化后的電滯回路曲線可以看出，它和磁滯回被測試體由于變形會產(chǎn)生一定的電荷。設施加的力為路的曲線很相似，所以壓電陶瓷也被稱為鐵電體。經(jīng)F，沿垂直方向(圖2中3方向)。兩電極上產(chǎn)生的電過第一次極化后有了剩余極化強度Pr，以后每次極化荷為【]：時，它沿著這條曲線變化。不同的壓電材料有不同的p=d33F

9、(1)電滯回路。式中，d33壓電常數(shù)，(庫／牛)；Q為電荷量；F為將一個交變的電場施加于壓電陶