壓電陶瓷的極化

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1、壓電陶瓷的極化壓電陶瓷必須經過極化之后才具有壓電性能。所謂極化（Poling），就是在壓電陶瓷上加一強直流電場，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.極化機理測試技術與理論分析表明，壓電陶瓷的極化機理取決于其內部結構。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（×3000）每個小晶?？煽礊橐粋€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，晶格又由一個個重復單元—晶胞組成，如圖2、3所示。圖2簡單立方晶格示意圖圖3鈣鈦礦型材料的晶胞結構晶粒與晶粒的晶格方向不一定相同，從整體看，仍是混亂、

2、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（T＜TC），其正負電荷中心不重合，產生自發(fā)極化Ps，極化方向從負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(a)立方相時（T＞TC），不出現自發(fā)極化（b）四方相時（T＜TC），出現自發(fā)極化圖5BaTiO3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)，晶粒中就會出現若干小區(qū)域，每個小區(qū)域內晶胞自發(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。（a）電疇結構的顯微照片（×26000）(b)對應

3、顯微照片的示意圖圖6PZT陶瓷中電疇結構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間，迫使其電疇轉向，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，各晶粒內存在許多自發(fā)極化方向不同的電疇，陶瓷內的極化強度為零，如圖7（a）所示。極化處理時，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，由于內部回復力（如極化產生的內應力的釋放等）作用，各晶粒自發(fā)極化只能在一定程度上按原外

4、電場方向取向，陶瓷內的極化強度不再為零，如圖7(c)。這種極化強度，稱為剩余極化強度。1.極化條件極化過程進行是否充分，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，其高低應該不同。極化電場大小主要取決于壓電陶瓷的矯頑場EC。極化電場一定要大于EC，才能使電疇轉向，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、結構有關。對四方相PZT系材料，EC隨Zr/

5、Ti比減小而增大。在三方向區(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疇轉動產生內應力小，轉動容易，EC降低。軟性添加物使EC降低，硬性添加物使EC提高。實用PZT系列材料EC在0.6-1.6Kv/mm范圍內。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降低。極化電場還受到陶瓷的擊穿強度Eb的限制。一旦極化電場達到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，其關系大致符合公式Eb=27.2t0.39式

6、中Eb為擊穿電場（kV/cm）；t為厚度（cm）。因此，較厚的制品，極化電場因相應降低，且通過調高極化溫度，延長極化時間達到好的極化效果。（2）極化溫度在極化電場和極化時間一定的條件下，極化溫度高時，電疇取向排列較易，極化效果較好。其主要原因在于：①結晶各向異性隨溫度升高而降低，電疇轉向的內應力變小，即阻力小，所以極化較容易。②電滯回線隨溫度升高變窄，即矯頑場變小，實際上也是使疇運動更易進行。③空間電荷效應隨溫度升高而減弱。有些雜質使制品中出現大量空間電荷，從而產生很強的空間電荷場，對外加極化電場有屏蔽作用，不利于極化。而溫度升高，制品電導率增加，使空間電荷易于遷移，

7、減少積聚，空間電荷場的屏蔽作用就減小，利于極化。極化溫度與材料組成有關。有的材料綜合反映壓電性能的機電耦合系數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。實踐選擇極化溫度時，都以溫度高些為好，因為提高極化溫度可以縮短極化時間，提高極化效率。但在較高的溫度時，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。這除了與配方有關外，還與致密度不好、電阻率低有關。對于僅與配方有關的制品，只有降低極化電場和延長極化時間。（1）極化時間極化時