壓電陶瓷的極化

1、壓電陶瓷的極化1 1 . .極化機(jī)理測(cè)試技術(shù)與理論分析表明，壓電陶瓷的極化機(jī)理取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷是由一顆顆小晶粒無(wú)規(guī)則地“鑲嵌”而成的，如圖12所示。圖 1212 壓電陶瓷顯微照片（X3000X3000）每個(gè)小晶?？煽礊橐粋€(gè)小單品，其中飽含原子（離子）都是有規(guī)則（周期性）的排列，形成晶格，晶格又由一個(gè)個(gè)重復(fù)單元一晶胞組成，如圖2、3所示。圖 2 2 簡(jiǎn)單立方晶格示意圖圖 3 3 鈣鈦礦型材料的晶胞結(jié)構(gòu)晶粒與晶粒的晶格方向不一定相同，從整體看，仍是混亂、無(wú)規(guī)則的，如圖4所示。因而稱(chēng)其為多晶體。晶胞在一定溫度下（TTTC）,不出現(xiàn)自發(fā)極化（b b）四方相時(shí)（TVTC）,出現(xiàn)自發(fā)極化圖 6

2、6PZTPZT 陶瓷中電疇結(jié)構(gòu)人工極化處理的作用，就是在壓電陶瓷上加一足夠高的直流電場(chǎng)，并保持一定的溫度和時(shí)間，迫使其電疇轉(zhuǎn)向，或者說(shuō)迫使其自發(fā)極化作定向排列。圖7示意陶瓷中電疇在極化處理前后的變化情況。圖 7 7 壓電陶瓷在極化中電疇變化示意圖極化前，各晶粒內(nèi)存在許多自發(fā)極化方向不同的電疇，陶瓷內(nèi)的極化強(qiáng)度為零，如圖7(a)所示。極化處理時(shí)，晶?？梢孕纬蓡萎?，自發(fā)極化盡量沿外場(chǎng)方向排列，如圖7(b)所示。極化處理后，外電場(chǎng)為零，由于內(nèi)部回復(fù)力(如極化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的釋放等)作用，各晶粒自發(fā)極化只能在一定程度上按原外電場(chǎng)方向取向，陶瓷內(nèi)的極化強(qiáng)度不再為零，如圖7(c)。這種極化強(qiáng)度，稱(chēng)為剩余極化

3、強(qiáng)度。2 2 . .極化條件(a)(a)極化處理前(b)(b)極化處理過(guò)程中(a)(a)電疇結(jié)構(gòu)的顯微照片(x(x26000)26000)(b)(b)對(duì)應(yīng)顯微照片的示意圖36帆帆極化處理后(c(c) )極化過(guò)程進(jìn)行是否充分，對(duì)材料性能影響很大。因此要合理選擇極化條件，即極化電場(chǎng)、極化溫度和極化時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)極化三要素。(1)極化電場(chǎng)只有在極化電場(chǎng)作用下，電疇才能沿電場(chǎng)方向取向排列，所以它是極化條件中的主要因素。極化電場(chǎng)越高，促使電疇排列的作用越大，極化越充分。但不同配方，其高低應(yīng)該不同。極化電場(chǎng)大小主要取決于壓電陶瓷的矯頑場(chǎng) E ECO極化電場(chǎng)一定要大于 E EC,才能使電疇轉(zhuǎn)向，沿外場(chǎng)方向排列。

4、一般為 E EC的2-3倍。而 E EC的大小與陶瓷組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)四方相PZT系材料，E EC隨Zr/Ti比減小而增大。在三方向區(qū)域，E EC隨Zr/Ti比的變化不明顯。取代物若使材料晶軸比c/a減小，90o疇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力小，轉(zhuǎn)動(dòng)容易，E EC降低。軟性添加物使 E EC降低，硬性添加物使 E EC提高。實(shí)用PZT系列材料E EC在0.6-1.6Kv/mm范圍內(nèi)。E EC還隨溫度的升高而降低。因此若極化溫度升高，則極化電場(chǎng)可以相應(yīng)降低。極化電場(chǎng)還受到陶瓷的擊穿強(qiáng)度Eb的限制。一旦極化電場(chǎng)達(dá)到Eb大小，陶瓷擊穿后就成為廢品。Eb因制品存在氣孔、裂紋及成份不均勻而急劇下降。因此，前期制備工序

5、必須保證制品的致密度和均勻性。Eb大小也與陶瓷樣品極化厚度有關(guān)，具關(guān)系大致符合公式LCCcQ.39Eb=26.2t式中Eb為擊穿電場(chǎng)(kV/cm)；t為厚度(cm)。因此，較厚的制品，極化電場(chǎng)因相應(yīng)降低，且通過(guò)調(diào)高極化溫度，延長(zhǎng)極化時(shí)間達(dá)到好的極化效果。(2)極化溫度在極化電場(chǎng)和極化時(shí)間一定的條件下，極化溫度高時(shí)，電疇取向排列較易，極化效果較好。其主要原因在于：結(jié)晶各向異性隨溫度升高而降低，電疇轉(zhuǎn)向的內(nèi)應(yīng)力變小，即阻力小，所以極化較容易。電滯回線隨溫度升高變窄，即矯頑場(chǎng)變小，實(shí)際上也是使疇運(yùn)動(dòng)更易進(jìn)行。空間電荷效應(yīng)隨溫度升高而減弱。有些雜質(zhì)使制品中出現(xiàn)大量空間電荷，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的空間電荷場(chǎng)，對(duì)

6、外加極化電場(chǎng)有屏蔽作用，不利于極化。而溫度升高，制品電導(dǎo)率增加，使空間電荷易于遷移，減少積聚，空間電荷場(chǎng)的屏蔽作用就減小，利于極化。極化溫度與材料組成有關(guān)。有的材料綜合反映壓電性能的機(jī)電耦合系數(shù)kp值基本不受極化溫度影響，可以在較低溫度下極化，如含軟性添加物的PZT系。有的材料要求在較高溫度下極化，才能有較大kp,如含硬性添加物的PZT系。實(shí)踐選擇極化溫度時(shí)， 都以溫度高些為好， 因?yàn)樘岣邩O化溫度可以縮短極化時(shí)間，提高極化效率。但在較高的溫度時(shí)，常遇到的問(wèn)題是制品電阻率太小，漏電流大，承受電壓低，即電壓加不上去。這除了與配方有關(guān)外，還與致密度不好、電阻率低有關(guān)。對(duì)于僅與配方有關(guān)的制品，只有降低

7、極化電場(chǎng)和延長(zhǎng)極化時(shí)間。(3)極化time極化時(shí)間是指陶瓷制品從一個(gè)平衡態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)平衡態(tài)所需要的保溫保壓時(shí)間。時(shí)間長(zhǎng)，電疇轉(zhuǎn)向排列充分，并有利于極化過(guò)程中應(yīng)力的弛豫。極化時(shí)間對(duì)不同材料是不同的。對(duì)于同一種材料，極化時(shí)間與極化電場(chǎng)、極化溫度有關(guān)。電場(chǎng)強(qiáng)、溫度高，則所需極化時(shí)間短；反之，所需極化時(shí)間就長(zhǎng)。綜合考慮，確定極化條件應(yīng)該以兼顧充分發(fā)揮壓電性能，提高成品率和節(jié)省時(shí)間為原則。對(duì)不同成分的材料，應(yīng)在極化工藝原理指導(dǎo)下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化出最佳極化條件。實(shí)用中可通過(guò)測(cè)量壓電性能(如kp或d33)來(lái)判定極化效果，當(dāng)其不再隨極化條件增強(qiáng)而升高時(shí)，即可認(rèn)為極化已經(jīng)充分了。目前PZT系壓電陶瓷研發(fā)與生產(chǎn)

8、中，其極化條件一般選為：極化電場(chǎng)1.5-5kV/mm極化溫度100-180C極化時(shí)間10-60min3 3、極化方法(1)油浴極化法油浴極化法是以甲基硅油等為絕緣媒質(zhì)，在一定極化電場(chǎng)、溫度和時(shí)間條件下對(duì)制品進(jìn)行極化的方法。由于甲基硅油使用溫度范圍較寬、絕緣強(qiáng)度高和防潮性好等優(yōu)點(diǎn)，該方法適合于極化電場(chǎng)高的壓電陶瓷材料。(2)氣體極化法空氣極化法是以空氣為絕緣媒質(zhì)，以一定的極化條件對(duì)制品進(jìn)行極化的方法。該方法由于不用絕緣油，操作簡(jiǎn)單，且極化后的制品不用清洗，因而成本低。因空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)不高（3kV/mm）,該方法特別適合較低矯頑場(chǎng)強(qiáng)的軟性類(lèi)PZT材料。如 E EC為0.6KV/mm的材料，其極化電場(chǎng)

9、選2E EC為1.2KV/mm,選3E EC為1.8KV/mm,都遠(yuǎn)低于空氣媒質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，完全可以達(dá)到與油浴極化相同的效果。在提高極化溫度和延長(zhǎng)極化時(shí)間的條件下，該方法還可適合于極化因尺寸較厚而擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低的制品和高壓極化有困難的薄片制品。（3）空氣高溫極化方法空氣高溫極化方法是以空氣為絕緣媒質(zhì)，極化溫度從居里溫度以上（高于TC10-20C）逐步降至100c以下，相應(yīng)的極化電場(chǎng)從較弱（約30V/mm逐步增加到較強(qiáng)（約300V/mm,對(duì)制品進(jìn)行極化的方法，又稱(chēng)高溫極化法或熱極化法。該方法的原理在于制品鐵電相形成之前就加上電場(chǎng)，使順電一鐵電相變?cè)谕饧与妶?chǎng)作用下進(jìn)行，電疇一出現(xiàn)就沿外場(chǎng)方向取向。由于高溫時(shí)疇運(yùn)動(dòng)較容易，且結(jié)品各向異性小，電疇作非180o轉(zhuǎn)向所