压电陶瓷的极化

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1、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简单立方晶格示意图图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、

2、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为了使压电陶瓷处于能量（静电能与弹性能）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

3、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

4、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，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/

5、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

6、中Eb为击穿电场（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，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，

7、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，漏电流大，承受电压低，即电压加不上去。这除了与配方有关外，还与致密度不好、电阻率低有关。对于仅与配方有关的制品，只有降低极化电场和延长极化时间。（1）极化时间极化时