压电陶瓷的极化压电陶瓷必须通过极化之后才含有压电性能
所谓极化(Poling),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,又称人工极化解决,或单畴化解决
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构造
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种小单晶,其中原子(离子)都是有规则(周期性)的排列,形成晶格,晶格又由一种个重复单元—晶胞构成,如图 2、3 所示
图 2 简朴立方晶格示意图图 3 钙钛矿型材料的晶胞构造晶粒与晶粒的晶格方向不一定相似,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叠,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为了使压电陶瓷处在能量(静电能与弹性能)最低状态,晶粒中就会出现若干社区域,每个社区域内晶胞自发极化有相似的方向,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,整块陶瓷涉及许多电畴,如图 6 所示
(a)电畴构造的显微照片(×26000) (b)对应显微照片的示意图图 6 PZT 陶瓷中电畴构造人工极化解决的作用,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解决前后的变化状况
(a)极化解决前 (b)极化解决过程中 (c)极化解决后图 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