压电陶瓷的极化详解
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷的工作原理
首先，我们来看压电效应。
当外力作用在压电陶瓷上时，它会引起晶格结构的
畸变，从而使得陶瓷内部产生极化。
这种极化会导致正负电荷的分离，最终产生一个电场，这就是压电效应。
这个电场的大小与施加在压电陶瓷上的力成正比，这就是为什么压电陶瓷可以将机械能转换为电能的原因。
其次，我们来看反压电效应。
当外加电压施加在压电陶瓷上时，它会改变陶瓷
内部的极化方向，从而引起晶格结构的畸变，最终导致陶瓷的形变。
这就是反压电效应，也就是说，压电陶瓷可以将电能转换为机械能。
通过上面的介绍，我们可以看出，压电陶瓷的工作原理是基于压电效应和反压
电效应的相互转换。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在声波传感器、压力传感器、振动传感器等领域有着重要的应用。
同时，在压电陶瓷驱动器、压电陶瓷换能器等方面也有着广泛的应用。
总的来说，压电陶瓷的工作原理是非常特殊和重要的，它的应用领域也非常广泛。
通过对其工作原理的深入理解，我们可以更好地发挥其作用，推动科技的进步，为人类社会的发展做出更大的贡献。
希望本文能够对压电陶瓷的工作原理有所帮助，谢谢阅读。
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＜TC，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Ps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。
压电陶瓷性能参数解析
压电陶瓷性能参数解析压电陶瓷是一种能够将电能转化为机械动能的材料。
它具有压电效应，即当施加电场时，会在陶瓷晶体中产生机械变形；反之，当施加机械应力时，会在陶瓷晶体中产生电荷积累。
这种特性使得压电陶瓷在传感器、声学器件、电子器件等领域得到广泛应用。
本文将介绍一些常见的压电陶瓷性能参数。
1.压电系数：压电系数是衡量压电材料性能的重要参数，用于描述材料在施加外部压力或电场时的响应情况。
它可分为压电应变系数d和压电电场系数g。
压电应变系数d用于描述压电陶瓷在施加电场时的形变情况，通常以毫米/伏作为单位。
压电电场系数g用于描述压电陶瓷在施加应力时产生的电荷量，通常以库伦/牛作为单位。
2.介电常数：介电常数是衡量材料在电场作用下电荷积累能力的参数。
压电陶瓷的介电常数通常以两个维度进行描述，分别为介电常数的相对静电介电常数（εr）和相对介电常数（εr）。
3.矫顽场和剩余极化：矫顽场是指施加电场或机械应力后，压电陶瓷尚未发生压电效应的最大电场或应力值。
剩余极化是指当外场消除时，材料中保留的极化强度。
这两个参数都能够反映压电陶瓷的稳定性和可逆性。
4.力常数和耦合系数：力常数是描述压电陶瓷的力-位移耦合效应的参数，标志着材料在施加电场时的机械响应程度。
耦合系数是力常数的相对值，是一种无量纲参数，常用于比较不同材料之间的压电性能。
5.介质损耗和压电品质因数：介质损耗是指压电陶瓷在工作频率下由于材料自身的损耗所导致的能量损失。
压电品质因数是衡量压电陶瓷在工作频率下损耗程度的参数，取决于介质损耗和介电常数等因素。
6.工作温度范围：工作温度范围是指压电陶瓷在正常工作条件下可以承受的温度范围。
这是一个重要的参数，因为一些压电材料在高温或低温环境中性能会发生变化。
以上是一些常见的压电陶瓷性能参数。
不同的应用场景对这些参数的需求也有所不同，因此在选用压电陶瓷材料时，需要根据具体的应用需求对这些性能参数进行综合考虑。
压电陶瓷的性能参数对材料的性能和应用特性有着重要的影响，因此对于压电材料的研究和理解是非常重要的。
压电陶瓷性能参数解析
ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。
（2）介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。
在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（异相），是由介质弛豫过程所引起的。
介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为(1-4)式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。
由式（1-4）可以看出，IR 大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。
通常用tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。
处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。
处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。
此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。
（3）弹性常数压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。
设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系S=sT(1-5)T=cS式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。
但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。
设有如图1-2所示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。
沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变S1，而在方向2上产生应变S2，由（1-5）式不难得出S1=S11T1(1-7)S2=S12T1(1-8)上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比，即(1-9)它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。
同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。
极化过的压电陶瓷，其独立的弹性顺度常数只有5个，即S11，S12，S13，S33和S44。
一种多层压电陶瓷片极化方法与流程
一种多层压电陶瓷片极化方法与流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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一种多层压电陶瓷片极化方法与流程
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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＜TC，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Ps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。
压电材料的极化方向
压电材料的极化方向1. 自然极化方向压电材料在自然状态下会存在一定的极化方向，这是由于其晶体结构决定的。
例如，石英晶体的极化方向是沿着晶体的C轴方向，而硅酸铁铋晶体的极化方向则是沿着晶体的PbTiO3方向。
自然极化方向是压电材料固有的极化方向，当施加力或电场时，材料会沿着自然极化方向产生电偶极矩，从而发生压电效应。
自然极化方向的压电材料常用于压电传感器、压电陶瓷等领域。
例如，将压电材料制成传感器，可以通过测量材料的电荷或电压变化来感知外界的压力或力量，从而实现力的测量和控制。
此外，压电陶瓷材料还可以应用于超声波发生器、压电陶瓷换能器等设备中，将电能转化为机械能或声能。
2. 反向极化方向除了自然极化方向外，压电材料还可以通过施加相反方向的力或电场来实现反向极化。
在反向极化状态下，材料内部的电偶极矩与自然极化方向相反。
反向极化方向的压电材料可以在施加相反方向的力或电场时，产生与自然极化方向相反的电偶极矩，实现相反的压电效应。
反向极化方向的压电材料在一些特殊应用中发挥着重要的作用。
例如，在超声波清洗器中，当施加电场时，压电材料会发生反向极化，从而使超声波产生。
这种超声波可以有效地清洗物体表面的污垢和杂质。
此外，反向极化方向的压电材料还可以应用于电子陶瓷变压器、压电陶瓷电机等设备中，实现电能转化和控制。
3. 多极化方向除了自然极化方向和反向极化方向外，压电材料还可以具有多个极化方向。
多极化方向的压电材料在施加力或电场时，可以同时产生多个不同方向的电偶极矩。
这种特性使得多极化方向的压电材料在某些应用中具有更大的灵活性和多功能性。
多极化方向的压电材料在微动机、电致变色器等领域有广泛应用。
例如，将多极化方向的压电材料制成微动机，可以通过施加不同方向的力或电场来控制机械运动的方向和速度。
此外，多极化方向的压电材料还可以应用于电致变色器，通过施加不同方向的电场来调节材料的光学性质，实现颜色的变化。
总结起来，压电材料的极化方向对其特性和应用有着重要影响。
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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。
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＜T c），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E C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畴转动产生内应力小，转动容易，Ec降低。
软性添加物使Ec降低，硬性添加物使Ec提高。
实用PZT系列材料Ec在0.6-1.6 Kv/mm范围内。
Ec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Eb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
式中Eb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kp 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kp，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kp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、温度和时间条件下对制品进行极化的方法。
由于甲基硅油使用温度范围较宽、绝缘强度高和防潮性好等优点，该方法适合于极化电场高的压电陶瓷材料。
（2）空气极化法
空气极化法是以空气为绝缘媒质，以一定的极化条件对制品进行极化的方法。
该方法由于不用绝缘油，操作简单，且极化后的制品不用清洗，因而成本低。
因空气击穿场强不高（3kV/mm）,该方法特别适合较低矫顽场强的软性类PZT 材料。
如E C为0.6 kV/mm的材料，其极化电场选2E C为1.2 KV/mm，选3E C为1.8KV/mm，都远低于空气媒质的击穿强度，完全可以达到与油浴极化相同的效果。
在提高极化温度和延长极化时间的条件下，该方法还可适合于极化因尺寸较厚而击穿场强降低的制品和高压极化有困难的薄片制品。
（3）空气高温极化方法
空气高温极化方法是以空气为绝缘媒质，极化温度从居里温度以上（高于
T C 10-20℃）逐步降至100℃以下，相应的极化电场从较弱（约30V/mm）逐步增加到较强（约300V/mm），对制品进行极化的方法，又称高温极化法或热极化法。
该方法的原理在于制品铁电相形成之前就加上电场，使顺电－铁电相变在外加电场作用下进行，电畴一出现就沿外场方向取向。
由于高温时畴运动较容易，且结晶各向异性小，电畴作非180º转向所受阻力小，造成的应力应变小，所以只要很低的电场就可以得到在低温时很高极化电场的极化效果。
该方法具有极化电场小、不需要高直流电场设备、不用绝缘油和制品发生碎裂少的特点。
适合于极化尺寸大（如压电升压变压器的发电部分），普通极化中需很高电压的制品。