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。 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。 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。 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。 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。 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,称为剩余极化强 2. 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/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...