壓電陶瓷的極化

1、壓電陶瓷的極化壓電陶瓷必須經(jīng)過極化之后才具有壓電性能。所謂極化（ Poli ng）,就是在壓 電陶瓷上加一強(qiáng)直流電場，使陶瓷中的電疇沿電場方向取向排列， 又稱人工極化 處理，或單疇化處理。1.極化機(jī)理測試技術(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規(guī)則地“鑲嵌”而成，如圖1所示。圖1壓電陶瓷顯微照片（X 3000）1#每個(gè)小晶粒可看為一個(gè)小單晶，其中原子（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簡單立方晶格示意圖AKif（町晶胞（b）氧八面體圖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

2、，從整體看，仍是混亂、無規(guī)則的，如圖4所示。因而稱其為多晶體。晶胞在一定溫度下（TvTc）,其正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生自發(fā)極化Ps,極化方向從負(fù)電荷中心指向正電荷中心，如圖5所示。圖4壓電陶瓷晶粒的晶格取向示意圖（b）四方相時(shí)（Tv Tc），出現(xiàn)自發(fā)極化2#圖5 BaTiO 3晶相與自發(fā)極化示意圖#為了使壓電陶瓷處于能量(靜電能與彈性能)最低狀態(tài)，晶粒中就會出現(xiàn)若 干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)晶胞自發(fā)極化有相同的方向， 但鄰近區(qū)域之間的自發(fā)極 化方向則不同。自發(fā)極化方向一致的區(qū)域稱為電疇， 整塊陶瓷包括許多電疇，如 圖6所示。3#(a)電疇結(jié)構(gòu)的顯微照片(X26000)(b)對應(yīng)顯微照片的示意圖圖6

3、 PZT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，并保持一定的溫度和時(shí)間，迫使其電疇轉(zhuǎn)向，或者說迫使其自發(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。(a)極化處理前(b)極化處理過程中(c)極化處理后圖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)，晶粒可以形成單疇，自發(fā)極化盡量沿外場 方向排列，如圖 7（b） 所示。極化處理后，外電場為零，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 方向取向，陶瓷內(nèi)的極化強(qiáng)

4、度不再為零，如圖 7（c） 。這種極化強(qiáng)度，稱為剩余 極化強(qiáng)度。2. 極化條件極化過程進(jìn)行是否充分，對材料性能影響很大。因此要合理選擇極化條件， 即極化電場、極化溫度和極化時(shí)間，簡稱極化三要素。（ 1） 極化電場 只有在極化電場作用下，電疇才能沿電場方向取向排列，所以它是極化條件 中的主要因素。極化電場越高，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。極化電場大小主要取決于壓電陶瓷的矯頑場E c。極化電場一定要大于 E c,才能使電疇轉(zhuǎn)向，沿外場方向排列。一般為 Ec的2-3倍。而Ec的大小與陶瓷組 成、結(jié)構(gòu)有關(guān)。對四方相 PZT系材料，Ec隨Zr/Ti比減小而增大。在三

5、方向區(qū) 域，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 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力小，轉(zhuǎn)動容易，Ec降低。軟性添加物使Ec降低，硬性添加物使Ec 提高。實(shí)用PZT系列材料Ec在0.6-1.6Kv/mm范圍內(nèi)。Ec還隨溫度的升高而降 低。因此若極化溫度升高，則極化電場可以相應(yīng)降低。極化電場還受到陶瓷的擊穿強(qiáng)度 Eb的限制。一旦極化電場達(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)，其關(guān)系大致符合公式0.39Eb =27.2t式中Eb為擊穿電場（kV/

6、cm）； t為厚度（cm）。因此，較厚的制品，極化電 場因相應(yīng)降低，且通過調(diào)高極化溫度，延長極化時(shí)間達(dá)到好的極化效果。（ 2） 極化溫度 在極化電場和極化時(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 頑場變小，實(shí)際上也是使疇運(yùn)動更易進(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， 對外加極化 電場有屏蔽作用，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，空間電荷場的屏

7、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)。對于僅與配方有關(guān)的制品，只有降低極化電場和延長極化時(shí)間。（ 3） 極化時(shí)間 極化時(shí)間是指陶瓷制品從一個(gè)平衡態(tài)轉(zhuǎn)變到另

8、一個(gè)平衡態(tài)所需要的保溫保 壓時(shí)間。時(shí)間長，電疇轉(zhuǎn)向排列充分，并有利于極化過程中應(yīng)力的弛豫。極化時(shí)間對不同材料是不同的。 對于同一種材料， 極化時(shí)間與極化電場、 極 化溫度有關(guān)。電場強(qiáng)、溫度高，則所需極化時(shí)間短；反之，所需極化時(shí)間就長。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。對不同成分的材料，應(yīng)在極化工藝原理指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化出 最佳極化條件。實(shí)用中可通過測量壓電性能（如 kp或d33）來判定極化效果，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)中，其極化條件一般選為：極化電場 1.5-5kV/mm極化溫

9、度100-180 C極化時(shí)間 10-60min3、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、 溫度和時(shí)間條件 下對制品進(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高的壓電陶瓷材料。（2）空氣極化法 空氣極化法是以空氣為絕緣媒質(zhì)，以一定的極化條件對制品進(jìn)行極化的方 法。該方法由于不用絕緣油， 操作簡單，且極化后的制品不用清洗， 因而成本低。 因空氣擊穿場強(qiáng)不高（ 3kV/mm） ,該方法特別適合較低矯頑場強(qiáng)的軟性類PZT材料。如Ec為0.6KV/mm的材料，其極化電場選 2Ec為1.2KV/mm，選3

10、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)的極化電場從較弱（約 30V/mm逐步增 加到較強(qiáng)（約300V/mm，對制品進(jìn)行極化的方法，又稱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， 使順電鐵電相變在外加電 場作用下進(jìn)行， 電疇一出現(xiàn)就沿外場方向取向。 由于高溫時(shí)疇運(yùn)動較容易， 且結(jié) 晶各向異性小，電疇作非