压电陶瓷的极化

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（Po lin g），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 2 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5 BaTiO3晶相与自发极化示意图 3 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)对应显微照片的示意图 图 6 PZT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 4 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 ， ...