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 , ...