压电陶瓷的极化

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（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

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

），其正负电荷中心不重4所示。因而称其为多晶体。晶胞在一定温度下（T＜T

C

，极化方向从负电荷中心指向正电荷中心，如图5所示。合，产生自发极化P

s

图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图

(a)立方相时（T＞T C），不出现自发极化（b）四方相时（T＜T C），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

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，称为剩余极化强度。

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E C。极化电场一定要大于E C，才能使电畴转向，沿外场方向排列。一般为E C的2-3倍。而E C的大小与陶瓷组成、结构有关。对四方相PZT系材料，E C随Zr/Ti比减小而增大。在三方向区域，E C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畴转动产生内应力小，转动容易，E C降低。软性添加物使E C降低，硬性添加物使E C 提高。实用PZT系列材料E C在0.6-1.6Kv/mm范围内。E C还随温度的升高而降低。因此若极化温度升高，则极化电场可以相应降低。

极化电场还受到陶瓷的击穿强度E b的限制。一旦极化电场达到E b大小，陶瓷击穿后就成为废品。E b因制品存在气孔、裂纹及成份不均匀而急剧下降。因此，前期制备工序必须保证制品的致密度和均匀性。E b大小也与陶瓷样品极化厚度有关，其关系大致符合公式

E b =27.2t0.39

式中E b为击穿电场（kV/cm）；t为厚度（cm）。因此，较厚的制品，极化电场因相应降低，且通过调高极化温度，延长极化时间达到好的极化效果。

（2）极化温度

在极化电场和极化时间一定的条件下，极化温度高时，电畴取向排列较易，极化效果较好。其主要原因在于：①结晶各向异性随温度升高而降低，电畴转向

的内应力变小，即阻力小，所以极化较容易。②电滞回线随温度升高变窄，即矫顽场变小，实际上也是使畴运动更易进行。③空间电荷效应随温度升高而减弱。有些杂质使制品中出现大量空间电荷，从而产生很强的空间电荷场，对外加极化电场有屏蔽作用，不利于极化。而温度升高，制品电导率增加，使空间电荷易于迁移，减少积聚，空间电荷场的屏蔽作用就减小，利于极化。

极化温度与材料组成有关。有的材料综合反映压电性能的机电耦合系数k p 值基本不受极化温度影响，可以在较低温度下极化，如含软性添加物的PZT系。有的材料要求在较高温度下极化，才能有较大k p，如含硬性添加物的PZT系。

实践选择极化温度时，都以温度高些为好，因为提高极化温度可以缩短极化时间，提高极化效率。但在较高的温度时，常遇到的问题是制品电阻率太小，漏电流大，承受电压低，即电压加不上去。这除了与配方有关外，还与致密度不好、电阻率低有关。对于仅与配方有关的制品，只有降低极化电场和延长极化时间。

（3）极化时间

极化时间是指陶瓷制品从一个平衡态转变到另一个平衡态所需要的保温保压时间。时间长，电畴转向排列充分，并有利于极化过程中应力的弛豫。

极化时间对不同材料是不同的。对于同一种材料，极化时间与极化电场、极化温度有关。电场强、温度高，则所需极化时间短；反之，所需极化时间就长。

综合考虑，确定极化条件应该以兼顾充分发挥压电性能，提高成品率和节省时间为原则。对不同成分的材料，应在极化工艺原理指导下，通过实验，优化出最佳极化条件。实用中可通过测量压电性能（如k p或d33）来判定极化效果，当其不再随极化条件增强而升高时，即可认为极化已经充分了。

目前PZT系压电陶瓷研发与生产中，其极化条件一般选为：

极化电场1.5-5kV/mm

极化温度100-180℃

极化时间10-60min

3、极化方法

（1）油浴极化法

油浴极化法是以甲基硅油等为绝缘媒质，在一定极化电场、温度和时间条件