压电陶瓷的极化

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1、word资料下载可编辑压电陶瓷的极化压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。所谓极化（Poling），就是在压电陶瓷上加一强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。1.极化机理测试技术与理论分析表明，压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成，如图1所示。图1压电陶瓷显微照片（×3000）每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子（离子）都是有规则（周期性）的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元—晶胞组成，如图2、3所示。图2简

2、单立方晶格示意图专业技术资料word资料下载可编辑图3钙钛矿型材料的晶胞结构晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的，如图4所示。因而称其为多晶体。晶胞在一定温度下（T＜TC），其正负电荷中心不重合，产生自发极化Ps，极化方向从负电荷中心指向正电荷中心，如图5所示。图4压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图(a)立方相时（T＞TC），不出现自发极化（b）四方相时（T＜TC），出现自发极化图5BaTiO3晶相与自发极化示意图专业技术资料word资料下载可编辑为了使压电陶瓷处于能量（静电能与

3、弹性能）最低状态，晶粒中就会出现若干小区域，每个小区域内晶胞自发极化有相同的方向，但邻近区域之间的自发极化方向则不同。自发极化方向一致的区域称为电畴，整块陶瓷包括许多电畴，如图6所示。（a）电畴结构的显微照片（×26000）(b)对应显微照片的示意图图6PZT陶瓷中电畴结构人工极化处理的作用，就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。图7示意陶瓷中电畴在极化处理前后的变化情况。(a)极化处理前(b)极化处理过程中(c)极化处理后图

4、7压电陶瓷在极化中电畴变化示意图极化前，各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化强度为零，如图7（a）所示。极化处理时，晶粒可以形成单畴，自发极化尽量沿外场专业技术资料word资料下载可编辑方向排列，如图7(b)所示。极化处理后，外电场为零，由于内部回复力（如极化产生的内应力的释放等）作用，各晶粒自发极化只能在一定程度上按原外电场方向取向，陶瓷内的极化强度不再为零，如图7(c)。这种极化强度，称为剩余极化强度。1.极化条件极化过程进行是否充分，对材料性能影响很大。因此要合理选择极化条件

5、，即极化电场、极化温度和极化时间，简称极化三要素。（1）极化电场只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，所以它是极化条件中的主要因素。极化电场越高，促使电畴排列的作用越大，极化越充分。但不同配方，其高低应该不同。极化电场大小主要取决于压电陶瓷的矫顽场EC。极化电场一定要大于EC，才能使电畴转向，沿外场方向排列。一般为EC的2-3倍。而EC的大小与陶瓷组成、结构有关。对四方相PZT系材料，EC随Zr/Ti比减小而增大。在三方向区域，EC随Zr/Ti比的变化不明显。取代物若使材料晶轴比c/a

6、减小，90º畴转动产生内应力小，转动容易，EC降低。软性添加物使EC降低，硬性添加物使EC提高。实用PZT系列材料EC在0.6-1.6Kv/mm范围内。EC还随温度的升高而降低。因此若极化温度升高，则极化电场可以相应降低。极化电场还受到陶瓷的击穿强度Eb的限制。一旦极化电场达到Eb大小，陶瓷击穿后就成为废品。Eb因制品存在气孔、裂纹及成份不均匀而急剧下降。因此，前期制备工序必须保证制品的致密度和均匀性。Eb大小也与陶瓷样品极化厚度有关，其关系大致符合公式Eb=27.2t0.39式中Eb为击穿电场（

7、kV/cm）；t为厚度（cm）。因此，较厚的制品，极化电场因相应降低，且通过调高极化温度，延长极化时间达到好的极化效果。（2）极化温度在极化电场和极化时间一定的条件下，极化温度高时，电畴取向排列较易，极化效果较好。其主要原因在于：①结晶各向异性专业技术资料word资料下载可编辑随温度升高而降低，电畴转向的内应力变小，即阻力小，所以极化较容易。②电滞回线随温度升高变窄，即矫顽场变小，实际上也是使畴运动更易进行。③空间电荷效应随温度升高而减弱。有些杂质使制品中出现大量空间电荷，从而产生很强的空间电荷场

8、，对外加极化电场有屏蔽作用，不利于极化。而温度升高，制品电导率增加，使空间电荷易于迁移，减少积聚，空间电荷场的屏蔽作用就减小，利于极化。极化温度与材料组成有关。有的材料综合反映压电性能的机电耦合系数kp值基本不受极化温度影响，可以在较低温度下极化，如含软性添加物的PZT系。有的材料要求在较高温度下极化，才能有较大kp，如含硬性添加物的PZT系。实践选择极化温度时，都以温度高些为好，因为提高极化温度可以缩短极化时间，提高极化效率。但在较高的温度时，常遇到的问题是制品电阻率太小，漏电流