压电陶瓷的极化原理和测试方法

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1、石油仪器·32·PETROLEUMINSTRUMENTS2010年08月·仪器设备·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)摘要：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。关键词：地震检波器；压电陶瓷；极化；测试方法中图法分类号：TN384文献标识码：B文章编号：1004—9134(2010)0

2、4．0032．02O引言化方向。极化前后的压电陶瓷材料有着不同的介电常数￡和压电常数d。压电地震检波器是一种加速度检波器，地震勘探3中应用很广泛，尤其是海洋压电检波器，近年来得到大面量的应用。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2陶瓷的性能，在设计压电检波器时能更好地掌握压电图1极化前图2极化方向陶瓷材料。设极化前的介电常数：￡l】=￡22=￡33。如果沿方目前，压电材料的应用已经渗透到了人们的生活向3对压电材料进行极化，另两个电极面垂直于极化及科学技术领域中

3、的众多方面。压电材料自从发现以方向。极化后的介电常数：￡l1=￡22≠s33，而E33值比来，发展迅速，人们已经掌握了压电材料的很多特性。e】】要大得多。对压电材料的认识大致分为三个阶段：①人们仅仅认压电陶瓷的压电常数也具有各向异性，沿不同方识和发现了压电材料的高介电常数；②认识了压电材向压电常数d的值也是不同的。其中沿方向3的值料的铁电性；③人们偶然发现了压电材料的极化性能。最大，即d33>>d3l和d32。如果用电流计测量时，只但当发现BaTiO3新型压电材料后，人们对压电材料的有d33中有电流，其它两个方向不产生电流。压电陶认识有了一个质的变化。

4、在研究BaTiO3压电材料时，瓷的极化同磁铁的充磁很类似，充磁前和充磁后的磁有人对BaTiO3材料施加一个直流偏压后其压电性有场强度会发生很大的变化。所增强。即使撤去电压后，这种效果仍然能部分保留1．2压电陶瓷的电滞回路下来。这一发现开始了压电陶瓷材料的新时代。压电陶瓷是多晶体，当其温度高于居里温度Te时呈立方品格；而当其温度在居里温度Tc以下时，则呈1压电陶瓷极化与电滞回路四方晶格并具有压电性。压电材料在温度Tc时能改1．1压电陶瓷的极化变材料内部组织这种现象称为固态相变，Te称为相变压电陶瓷材料没极化前自由电子是无序排列的；温度，也称居里温度。不同

5、的压电材料，居里温度也会极化处理后，沿极化方向产生剩余极化成为各向异性不同。的多晶体，自由电子趋向一致，压电性大大增强。如图如BaTiO3的居里温度Tc为120~C，PbTiO3的居里1、图2所示，压电陶瓷材料可以做成任意形状、任意极温度是490％。当温度升高到Tc时，立方晶胞的三个第一作者简介：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：7100822010年第24卷第4期杜克相等：压电陶瓷的极化原理和测试方法·33·边长相等，即：。=6=c，这时的电荷中心

6、位于立方体光测法等，其中以电测法为常用。由于压电材料对力中心，压电陶瓷无压电性。当温度低于Tc时，四方晶较为敏感，所以在电测法中，压电片处于力学状态。电胞的三个边长不相等，即：口=b

7、～一图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。F以后的极化日将K

8、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越图3电滞回路曲线大越好。图中，Ps为自发极化强度；Pr为剩余极化强度；静态法主要用于测试压电陶瓷材料的压电常数。Ec为矫顽场强度。测量时要施加一定大小和方向的力。根据压电效应，从极化后的电滞回路曲线可以看出，它和磁滞回被测试体由于变形会产生一定的电荷。设施加的力为路的曲线很相似，所以压电陶瓷也被称为铁电体。经F，沿垂直方向(图2中3方向)。两电极上产生的电过第一次极化后有了剩余极化强度Pr，以后每次极化荷为【]：时，它沿着这条曲线变化。不同的压电材料有不同的p=d33F

9、(1)电滞回路。式中，d33压电常数，(库／牛)；Q为电荷量；F为将一个交变的电场施加于压电陶