在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于壓電陶瓷材料的技術處理領域，涉及一種在壓電陶瓷中獲得大應變的極化老化方法。
【背景技術】
[0002]壓電陶瓷具有機電耦合性能優良、體積小、響應快等特點，因而作為傳感器、驅動器元件被廣泛應用在航空航天、電子信息、智能系統等現代工業領域。在這些應用中，需要壓電陶瓷元件能夠在外電場激勵下產生大的電致應變效果，通常在傳統壓電陶瓷中可獲得
0.1 %?I %的應變值。
[0003]壓電陶瓷材料是傳感器和驅動器的核心元件。鈣鈦礦結構壓電陶瓷材料由于其壓電系數大(d33通常在100?1000pC/N)、介電損耗較低以及電阻率較高，是目前最廣泛應用的傳感器和驅動器用壓電陶瓷材料。據報道，2009年全球壓電驅動器市場就達到了 66億美元，其中鈣鈦礦結構PZT基壓電陶瓷就占到98%。但是，對于大行程驅動器來說，目前壓電陶瓷的電致應變值仍然較低，不能滿足新型驅動器的材料需求，制約了高性能大行程驅動器的發展，因而在壓電陶瓷中獲得大應變效應十分必要。
[0004]目前，本領域主要通過離子摻雜、固溶等優化組成設計，以及控制燒成工藝獲得合適晶粒尺寸等手段來提高鈣鈦礦壓電陶瓷材料的應變性能，如控制Zr/Ti比在52:48的準同型相界附近，可將PZT陶瓷材料的d33從200pC/N提高到700pC/N。控制晶粒尺寸在2μπι附近，BaT13陶瓷材料d33從190pC/N提高到250pC/N。然而，除了本征晶格畸變產生應變外，在壓電陶瓷中電場引起的疇翻轉效應也對應變有重要貢獻，疇貢獻的等效壓電系數(d33*)比低電場下本征壓電高出30%?60%。因此，如何合理利用疇翻轉引起的應變效應，提高壓電陶瓷的電致應變值，成為本領域的一個重要問題。
【發明內容】
[0005]本發明旨在提高現有壓電陶瓷材料的電致應變值，提供一種在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，所述方法包括將壓電陶瓷依次進行第一次極化處理、第二次極化處理以及老化處理以在所述壓電陶瓷中獲得大應變效應，其中，
第一次極化處理所施加的第一極化電場方向X垂直于所述壓電陶瓷的最終加載電場方向Z，第一次極化處理所施加的第一極化電場強度?4kV/mm;
第二次極化處理所施加的第二極化電場方向Y與第一極化電場方向X相反，第二次極化處理所施加的第二極化電場強度扮為所述壓電陶瓷矯頑場Ec的I?1.5倍且低于所述第一極化電場強度Ei;
所述老化處理為在規定溫度以下保溫一個月以上。
[0006]采用本發明所述方法可在壓電陶瓷材料中獲得可逆的疇翻轉效果，與未經處理狀態相比，顯著提高陶瓷材料的應變值，為新型高性能驅動器的應用提供了基礎。
[0007]本發明中，第一極化電場方向X與第二極化電場方向Y位于同一平面內且均垂直于所述壓電陶瓷的最終加載電場方向Z。
[0008]本發明中，第一次極化處理的溫度可為100?200°C，時間可為2?4小時。借助于此，使樣品進行完全極化，較高電場強度和較長極化時間保證樣品極化充分。
[0009]本發明中，第二次極化處理的溫度可為室溫，時間可為5?30分鐘。通過第二次極化，可使壓電陶瓷平均壓電系數降為零，即d33降為O。
[0010]本發明中，所述規定溫度為所述壓電陶瓷的居里溫度Tc。
[0011]本發明中，所述壓電陶瓷為BaT13基或Pb(Zr，Ti)03基鈣鈦礦結構陶瓷材料。
【附圖說明】
[0012]圖1示出Mn摻雜BaT13陶瓷二次垂直極化和未處理狀態下壓電應變值； 圖2示出？6摻雜斤13>?(2111)03陶瓷二次垂直極化和未處理狀態下壓電應變值。
【具體實施方式】
[0013]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0014]為了提高現有壓電陶瓷材料的電致應變值，本發明公開了一種在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法。
[0015]首先在適宜的極化條件下，對壓電陶瓷進行第一次極化以使其完全極化，達到最佳的極化效果，即，其極化效果應當使陶瓷獲得最高的壓電系數。第一次極化的第一極化電場方向X應垂直于所述壓電陶瓷的最終加載電場方向Z。極化溫度可設定為100?200°C，極化時間為2?4小時，第一次極化在較高電場強度(例如2?4kV/mm)條件下進行。通過第一次極化，使樣品進行完全極化，較高電場強度和較長極化時間保證樣品極化充分。
[0016]然后沿第一次極化的反方向對陶瓷材料進行第二次極化(S卩、第二次極化處理所施加的第二極化電場方向Y與第一極化電場方向X相反)，第二次極化應在較低的電場強度(略大于壓電陶瓷材料矯頑場的電場值，優選為陶瓷材料矯頑場E。的I?1.5倍下進行。第二次極化處理的溫度為室溫，時間可為5?30分鐘。第二次極化的極化效果應使壓電陶瓷平均壓電系數降為零，即d33降為O。
[0017]進一步地，該發明中的兩次極化電場應在同一個平面中，且兩次極化方向都與壓電陶瓷最終使用的加載電場方向垂直。
[0018]為了在壓電陶瓷中獲得可逆的疇翻轉效應以得到大應變值，經過步驟I和2處理之后的陶瓷樣品并不能立即使用，在居里溫度Tc以下放置I個月以上，使樣品中點缺陷充分移動，實現疇翻轉可逆化。
[0019]采用本發明所述方法可在壓電陶瓷材料中(例如BaT13基或Pb(Zr，Ti)03基鈣鈦礦結構陶瓷材料)獲得可逆的疇翻轉效果，與未經處理狀態相比，該方法的效果使壓電陶瓷材料的應變值顯著提高(采用該發明工藝后，BaT13基或Pb(Zr，Ti)03基壓電陶瓷材料的等效壓電系數(d33*)提高40?80%，壓電陶瓷的電致應變值顯著提高)，以滿足制備大行程壓電驅動器用壓電陶瓷材料的要求，為壓電陶瓷材料在高性能驅動器中的發展起推動作用。
[0020]下面進一步例舉實施例以詳細說明本發明。同樣應理解，以下實施例只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。下述示例具體的工藝參數等也僅是合適范圍中的一個示例，即本領域技術人員可以通過本文的說明做合適的范圍內選擇，而并非要限定于下文示例的具體數值。
[0021]實施例1
1.在電場強度3kV/mm，120°C下，將塊狀(厚度SmnOBaT1.gMn0.1Os鈣鈦礦結構壓電陶瓷材料樣品極化3小時，完成第一次極化；
2.將樣品沿第一次極化電場的反方向，在300V/mm電場下進行第二次極化，極化時間為5?30分鐘，直至陶瓷平均壓電系數降為零(d33 ? O);
3.為了得到最優化的應變效果，在第二次極化進行一段時間后，將樣品取出測量其壓電系數d33變化，當平均壓電系數接近O時，完成第二次極化；
4.將兩次極化后的樣品在室溫下放置45天，完成老化過程；
5.分別取極化老化處理后的樣品和未處理狀態樣品，加工成Imm厚度，在頻率為10Hz、3kV/mm電場下測量其單極電致應變，如圖1所示。
[0022]實施例2
改變部分參量，按以上步驟對Fe摻雜(Pb，Ba，Sr) (Zr，T i) O3陶瓷進行同樣處理，其單極電致應變曲線如圖2所示。
[0023]從圖1和圖2可以看出，與未處理狀態相比，通過本發明的二次垂直極化老化工藝對BaT13基或Pb(Zr，Ti )03基壓電陶瓷材料進行極化和老化后，等效壓電系數d33*高達600pC/N以上，電致應變值提高約80%，壓電性能顯著提升。
【主權項】
1.一種在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，所述方法包括將壓電陶瓷依次進行第一次極化處理、第二次極化處理以及老化處理以在所述壓電陶瓷中獲得大應變效應，其中， 第一次極化處理所施加的第一極化電場方向X垂直于所述壓電陶瓷的最終加載電場方向Z，第一次極化處理所施加的第一極化電場強度?4kV/mm; 第二次極化處理所施加的第二極化電場方向Y與第一極化電場方向X相反，第二次極化處理所施加的第二極化電場強度扮為所述壓電陶瓷矯頑場Ec的I?1.5倍且低于所述第一極化電場強度Ei; 所述老化處理為在規定溫度以下保溫一個月以上。2.根據權利要求1所述的在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，第一極化電場方向X與第二極化電場方向Y位于同一平面內且均垂直于所述壓電陶瓷的最終加載電場方向Z。3.根據權利要求1或2所述的在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，第一次極化處理的溫度為100?200°C，時間為2?4小時。4.根據權利要求1至3中任一項所述的在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，第二次極化處理的溫度為室溫，時間為5?30分鐘。5.根據權利要求1至4中任一項所述的在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，所述規定溫度為所述壓電陶瓷的居里溫度Tc。6.根據權利要求1至5中任一項所述的在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，所述壓電陶瓷為BaT13SSPMZr，Ti )03基鈣鈦礦結構陶瓷材料。
【專利摘要】本發明涉及一種在壓電陶瓷中獲得大應變效應的極化老化處理方法，其特征在于，所述方法包括將壓電陶瓷依次進行第一次極化處理、第二次極化處理以及老化處理以在所述壓電陶瓷中獲得大應變效應，采用本發明所述方法可在壓電陶瓷材料中獲得可逆的疇翻轉效果，與未經處理狀態相比，顯著提高陶瓷材料的應變值，為新型高性能驅動器的應用提供了基礎。
【IPC分類】H01L41/253, H01L41/257
【公開號】CN105655479
【申請號】
【發明人】梁瑞虹, 王磊, 董顯林, 周志勇, 趙小波, 張文斌, 楊冰冰
【申請人】中國科學院上海硅酸鹽研究所
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2015年12月30日