压电陶瓷多试样同步极化装置

雷开卓，左睿，石秀华，段维军

(1 西北工业大学航海学院，西安710072; 2 中国船舶重工集团公司第705 研究所，西安710075)

摘要:实验室中制备压电陶瓷需要对每个不同尺寸和组分的试样单独进行极化，非常繁琐耗时且一致性差。笔者提出了一种新的极化装置结构，该装置可夹持多个不同材料和厚度的陶瓷试样。并可对每个陶瓷试样独立施加不同的电场进行同步极化，给出了极化夹具、加热与保温系统、绝缘与安全设施等关键核心部件的设计结果，研制了新型压电陶瓷极化装置原理样机，并进行了多陶瓷试样的同步极化实验。

关键词:结构设计; 压电陶瓷; 极化装置; 多试样; 夹具

中图分类号:TH112 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2010) 03-0250-04

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，被广泛应用于移动通信、卫星广播、电子设备、仪器仪表、生物以及航空航天等高新技术领域，成为不可缺少的现代化关键材料和元件。随着科学技术的飞速发展，许多电子电器设备对所选用的压电器件要求也越来越高，要求压电材料在使用范围和使用环境方面有更大的适应性，为此研制出居里温度更高、压电常数更大、机械强度更高的新型压电材料就成为当务之急。日本和美国是高档电子元器件的主要生产国，几乎所有日本大公司和许多欧美公司都投入大量精力到压电陶瓷的研制中。

研究新型压电陶瓷元件需对不同的材料和工艺进行大量的试验，通过试验的结果来研究元件的特性。然而，与大规模工业生产不同，实验室条件下对陶瓷进行极化，每个试样的厚度、材料都有可能不同，所以每个试样需要选择合适的电场强度、极化时间和极化温度才能使试样具有最佳性能。传统的方法是使用耐压测试仪每次装夹一个陶瓷试样，每个试样需要极化时间约30min。而每次实验需要制备数十个样品用于各种性能分析，工作量大，工作周期长。此外，极化一般都需要几千伏高压，缺乏专用设备也是压电陶瓷元件试制过程中的不安全因素。

针对这一迫切的应用需求，为了提高实验的效率，应对大量不同材料试样的极化工序，笔者设计了一种新的多试样同步极化装置结构，研制了新型压电陶瓷极化装置原理样机。该装置可以对每个陶瓷试样施加不同的电场，同时极化多个不同厚度和组分的陶瓷试样，大大提高了实验室制备压电陶瓷的效率、安全性和一致性。

1 极化原理和极化装置方案

压电陶瓷内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场，在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向，当让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，这时的材料才具有压电特性，这就是压电陶瓷的极化过程。压电陶瓷极化装置就是完成极化过程的一种设备。

整套极化实验装置主要包括:极化试验夹具、驱动电机、加热与保温系统、安全设施和耐压测试仪，其系统结构框图如图1所示。极化实验装置的核心部分为极化夹具，用于夹持试样，通过多通道耐压测试仪输出高压，对陶瓷式样进行极化;温度控制仪通过热电偶测量试样的温度，控制电炉功率进行温度控制，保持极化所需温度;驱动电机驱动极化夹具，可在极化完成之后取出试样，防止高温烫伤。

图1 极化实验装置系统结构框图

2 压电陶瓷极化装置设计

整套压电陶瓷极化实验装置的核心关键部件为极化夹具、加热与保温系统、安全设施，因此极化装置必须设计一个能方便装夹多个不同试样的夹具，利用新型的多通道耐压测试仪，对不同的试样施加不同的电压，配合加热、控制与保温系统、驱动电机等装置，才能安全方便地实现对多个陶瓷试样的同时极化。

2.1 多试样极化夹具

极化装置核心部分为极化夹具，起到装夹和极化的作用。根据常用压电陶瓷极化的条件，要求极化夹具耐温180℃，能夹持厚度小于5mm，直径小于15mm的圆柱型试样，同时进行4个样品的极化。电极要导电良好，外壳在极化过程中要保证绝缘和安全。

图2 极化夹具的三维结构

根据要求设计的极化夹具如图2所示，总体由4个支柱支撑，使用能自由调整长度的4个夹头，通过弹簧压紧陶瓷试样，可同时夹持4个不同的试样。极化夹具的上部为绝缘支撑，起到绝缘和对夹头导向的作用。底部为黄铜板接地，电势为零，考虑导电性能和加工性能采用材料为黄铜H68加工，4个测试夹头均匀分布。测试夹头也为H68黄铜合金，夹头头部镀金厚度0.5μm，来提高耐高温、抗氧化、导电能力。测试夹头使用弹簧压紧试样，使试样下表面与底部铜板接触，上表面与测试夹头压紧，通过选择不同的弹簧长度和刚度来保证压紧式样。测试夹头的数量也可以根据需要而增加，增加更多的夹头能够同时极化更多的压电陶瓷试样，因为本实验室经常是每次测试需要4个试样，所以样机选择了4个测试夹头。绝缘部分采用了聚四氟乙烯塑料(PTFE)材料，聚四氟乙烯长期使用温度－200℃到260℃，有卓越的耐化学腐蚀性，对大多数化学品都耐腐蚀，摩擦系数在塑料中最低，还有很好的电性能，其电绝缘性不受温度影响。所以在该装置中绝缘支撑部分都为聚四氟乙烯材料加工。

2.2 加热与保温系统

极化的温度对极化的效果影响很大，一般压电陶瓷极化温度不超过150℃，要求极化装置在开始极化时能够迅速升温到所需温度，然后保持恒温一定时间。加热与保温系统结构设计如图3所示，系统通过电炉对极化装置进行加热，使用热电偶温度计采集恒温室的温度，采用DHC2T-D智能温控仪实现300℃以内的温度测量和控制，并有保持恒温的功能，可以通过LED显示温度。在极化室内注满硅油，硅油起到导热和绝缘作用。考虑到使用的聚四氟乙烯材料的耐温和实验所需，一般的工作温度为80℃～180℃，因此通过电炉加热使硅油保持在需要的极化温度80℃～180℃(电炉所能调节的最高温度限制为200℃，以保证材料的绝缘性能)。保温外壳使用石棉包裹内筒的方法来实现绝缘保温作用。电机驱动丝杠带动极化夹具运动，还可搅拌硅油，使加热更均匀。

图3 加热与保温系统结构

2.3 绝缘与安全设施

极化过程通常需要几千伏高压和超过100℃的温度，所以极化装置的安全性至关重要。整套装置置于5mm硅胶板上，保证绝缘性能，并对所有的金属外壳都进行了接地处理。高压部分进行了特殊绝缘处理，并使用耐高温银线作为极化输出连接线。极化室内利用硅油进行绝缘，硅油的击穿电压很高，一般为10kV/mm～20kV/mm，是良好的绝缘介质。且硅油充满极化室时，空气排出，使极化室不会因高压击穿空气而造成短路事故，从而保护设备安全和人身安全。

极化室的高温造成极化好的陶瓷样品不易取出，所以设有一套驱动装置。驱动装置由带减速齿轮的直流电机带动，电机12V供电、200r/min，驱动一根丝杠，使夹具升降，大约10s完成上升或下降过程。驱动装置的行程末端有行程开关控制，在极化完成后夹具上升即将托出极化室时，切断极化高压电源，保证了操作安全。

3 极化装置研制与极化实验

基于图1～图3设计的系统结构，我们研制了可对每个陶瓷试样施加不同的电场、可同时极化4个不同材料和厚度陶瓷试样的新型压电陶瓷极化装置原理样机如图4所示。

图4 压电陶瓷极化装置原理样机

我们利用该压电陶瓷极化装置原理样机，以某种PZT系列陶瓷试样为例，进行了陶瓷样品的同步极化试验，以检验极化装置原理样机的功能和性能。按照极化要求，首先将圆片样品磨薄至d/t>10(d为陶瓷样品直径、t为陶瓷样品厚度)，然后在所需镀银的试样两面烧渗银电极，最后置于甲基硅油中进行极化。

设定极化温度为120℃，极化所加直流电场为2kV/mm～3kV/mm，从2kV/mm开始，间隔100V/mm递增。极化保温时间为30min，撤去电场，取出样片，测量陶瓷样品的压电常数。其中极化电压由多通道耐压测试仪同步调整，压电常数d33采用准静态法，用中科院ZJ-2型准静态d33测试仪在室温下(约23℃)测量。

对应不同极化电压的各陶瓷样品的压电常数测量数据见表1。表1中数据可以看出，各陶瓷样品的参数一致性较好，最佳极化电压为2400V/mm，陶瓷极化时的饱和电压约为2500V/mm，再高就会被击穿。同时也证明多试样同步极化装置性能稳定，效果良好。

表1 陶瓷样品极化时的极化电压和压电常数

4 结论

笔者所研究的新型压电陶瓷极化装置能方便地实现多个不同陶瓷试样的极化工艺，适合于实验室小规模实验条件下的压电陶瓷制备。尤其针对实验室制备样品一致性比较差的情况，能高效地完成同种材料和尺寸的多个试样的同步极化，极化性能一致性好。经过实验室近1年的使用和测试，证明该装置使用简单方便，高效、安全、可靠，一致性好。