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南京然創精密機械有限公司

Nan Jing Ran Chuang Precision Machinery Co.,Ltd

壓電陶瓷的極化詳解

2014年10月10日

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則地“鑲嵌”而成,如圖1所示。

每個小晶?煽礊橐粋小單晶,其中原子(離子)都是有規則(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。

晶粒與晶粒的晶格方向不一定相同,從整體看,仍是混亂、無規則的,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。

  為了使壓電陶瓷處于能量(靜電能與彈性能)最低狀態,晶粒中就會出現若干小區域,每個小區域內晶胞自發極化有相同的方向,但鄰近區域之間的自發極化方向則不同。自發極化方向一致的區域稱為電疇,整塊陶瓷包括許多電疇如圖6所示。

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。

極化前,各晶粒內存在許多自發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?梢孕纬蓡萎,自發極化盡量沿外場4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,各晶粒自發極化只能在一定程度上按原外電場方向取向,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。

 2. 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/Ti比減小而增大。在三方向區域,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

 

式中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,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。

    (3) 極化時間 

    極化時間是指陶瓷制品從一個平衡態轉變到另一個平衡態所需要的保溫保壓時間。時間長,電疇轉向排列充分,并有利于極化過程中應力的弛豫。 

    極化時間對不同材料是不同的。對于同一種材料,極化時間與極化電場、極化溫度有關。電場強、溫度高,則所需極化時間短;反之,所需極化時間就長。 

    綜合考慮,確定極化條件應該以兼顧充分發揮壓電性能,提高成品率和節省時間為原則。對不同成分的材料,應在極化工藝原理指導下,通過實驗,優化出最佳極化條件。實用中可通過測量壓電性能(如kp或d33)來判定極化效果,當其不再隨極化條件增強而升高時,即可認為極化已經充分了。 

    目前PZT系壓電陶瓷研發與生產中,其極化條件一般選為:

    極化電場1.5-5kV/mm

    極化溫度100-180℃

    極化時間10-60min

    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,在一定極化電場、溫度和時間條件下對制品進行極化的方法。由于甲基硅油使用溫度范圍較寬、絕緣強度高和防潮性好等優點,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,以一定的極化條件對制品進行極化的方法。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。因空氣擊穿場強不高(3kV/mm),該方法特別適合較低矯頑場強的軟性類PZT材料。如EC為0.6KV/mm的材料,其極化電場選2EC為1.2KV/mm,選3EC為1.8KV/mm,都遠低于空氣媒質的擊穿強度,完全可以達到與油浴極化相同的效果。在提高極化溫度和延長極化時間的條件下,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,極化溫度從居里溫度以上(高于TC10-20℃)逐步降至100℃以下,相應的極化電場從較弱(約30V/mm)逐步增加到較強(約300V/mm),對制品進行極化的方法,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行,電疇一出現就沿外場方向取向。由于高溫時疇運動較容易,且結晶各向異性小,電疇作非180o轉向所受阻力小,造成的應力應變小,所以只要很低的電場就可以得到在低溫時很高極化電場的極化效果。該方法具有極化電場小、不需要高直流電場設備、不用絕緣油和制品發生碎裂少的特點。適合于極化尺寸大(如壓電升壓變壓器的發電部分),普通極化中需很高電壓的制品。

 

來源:南京然創精密機械有限公司
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