CN111463343A - 一种适用于压电单晶材料的极化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于压电单晶材料的极化方法，具备分区步骤和极化步骤，分区步骤中，将环形的材料均等分割为若干区域，并使分割后的各区域在上下表面上形成导电电极，且相邻区域具有相反的压电性能符号，极化步骤中，选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，而后在未极化处理的区域中继续选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，直至各区域均完成。根据本发明，能够高效优质地对压电单晶材料进行分区极化，压电单晶材料性能均匀性好，且压电单晶材料不容易碎裂，成品率高。能够保证压电单晶材料很好的用于超声电机等压电器件。

Description

一种适用于压电单晶材料的极化方法

技术领域

本发明属于压电单晶材料极化技术领域，涉及一种适用于压电单晶材料的极化方法。

背景技术

压电材料受到压力作用时会在两端面间出现电压，因此能够实现机械能与电能之间的直接相互转换，是一类非常重要的功能材料，广泛应用于航空、能源、汽车制造、通信、探测、家电和计算机等诸多领域，是构成换能器、滤波器、传感器、驱动器等电子元件的重要组成部件，已成为21世纪高新技术的主要研究方向之一。

半个多世纪以来，二元压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)陶瓷由于其较高的压电性能和系列化的材料产品而被广泛应用。然而随着科学技术的不断发展，出现了新一代高性能压电单晶—弛豫铁电单晶，其主要包括铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)、铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)、铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅(PIMNT)等。

该类压电单晶材料具有非常优异的压电性能、如其压电常数d₃₃达到1500pC/N以上，比PZT陶瓷高4-5倍，电致应变达到1.7％，比PZT陶瓷高一个数量级，机电耦合因数k₃₃达到90％以上，显著高于PZT陶瓷的70％左右的机电耦合因数，因此被认为是压电领域50年来最激动人心的一次突破，引起铁电和压电领域学者的极大关注。除此之外，弛豫铁电单晶还具有异常优异的低温性能。常用的PZT陶瓷系列压电陶瓷在温度降低到-40℃时会因为迟滞损耗的增加而导致性能下降，在温度-240℃时，压电陶瓷的性能会下降75％。然而，弛豫铁电单晶在-240℃时的压电性能仍然优于压电陶瓷30℃时的压电性能。

弛豫铁电单晶如此优异的性能使得其在水声换能器、医用B超和超声电机等领域有广泛的应用。其中，超声电机是根据压电材料的逆压电效应制成，与普通电极相比，具有高力矩密度、低压输入、高精度定位、响应时间短、位移重复性好、低耗、无需润滑和无电磁干扰等优点。而压电材料是超声电机中将电能转换成振动能的部件，其压电性能的优劣关系到超声电机的机械特性。

其中，极化工艺是压电材料获得压电性能的关键工序，特别是压电材料分区极化工艺，一块压电材料被分成若干区域，相邻区域极化时施加的电场方向相反。目前成熟的极化工艺主要是针对传统压电PZT陶瓷开发的，如不同区域分次极化，或者所有区域同时极化等。但由于新一代压电单晶材料—弛豫铁电单晶与陶瓷的差异性，传统的极化工艺不适合于压电单晶的分区极化。

发明内容

发明要解决的问题：

超声电机用的压电材料要求压电单晶材料相邻区域压电性能符号相反，因此要求相邻区域在极化时施加相反方向的电场。环形压电陶瓷材料的分区极化可以采用不同区域逐一极化、两次极化(即正压电性能区域极化一次和负压电性能区域极化一次)以及一次极化(环形压电单晶材料相邻区域同时极化，极化时相邻区域施加相反方向电场)等极化方式。

但是，由于压电单晶材料具有晶格连续等晶体特有的特性，如果简单地采用不同区域逐一极化或者两次极化，在进行某一选定区域极化时，相邻区域虽然没有施加电场，但是却具有与极化区域相同符号的压电性能或者使原有压电性能减弱，不能满足超声电机用环形压电材料要求的压电单晶材料相邻区域压电性能符号相反的要求。而如果采用一次极化，由于压电单晶材料相比于陶瓷具有易碎、耐剪切应力低等特点，所以当相邻区域同时施加相反方向电场时晶体很容易碎裂，造成极化的成品率很低。

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于压电单晶材料的极化方法，通过该方法可使压电单晶材料的分区极化，即适用于传统的压电PZT陶瓷，又适用于新型的弛豫铁电单晶材料。

解决问题的技术手段：

综上研究，本发明提供一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，具备：

分区步骤：

将环形的所述压电单晶材料以从环形截面观察时在周向均等分割为若干区域的形式进行分割，并使分割后的各区域在上下表面上形成导电电极而在分割线处无导电电极；设定所述各区域中的任一区域与相邻区域具有相反的压电性能符号，而与被所述相邻区域隔开的相隔区域具有相同的压电性能符号；

极化步骤：

在所述各区域中选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，与此同时使其余区域的上下表面通过导电物质连接；当所选择的区域完成极化处理后，在未极化处理的区域中继续选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，与此同时使包含已极化处理的区域的其余区域的上下表面通过导电物质连接；如此，在未极化处理的区域中选择一个以上压电性能符号相同的区域依次进行极化处理直至所述各区域均完成。

根据本发明，对该区域进行极化处理时，其它所有区域上下表面需用导电物质连接，由此能保证在极化过程中除极化区域外，其它所有区域各自上下表面处于同一电位。具体地，如果不用导电物质连接，在极化某一选定区域时，其它区域会受到极化电场的影响，具有与极化区域相同符号的压电性能，或者使原有压电性能减弱，导通的主要作用是保证极化时，其它区域不收次极化电场的影响，从而改变压电性能，因此本发明通过形成为上述结构能完善地克服该问题。又，本发明的极化方法能够高效优质地对压电单晶材料进行分区极化，压电单晶材料性能均匀性好，且压电单晶材料不容易碎裂，成品率高。能够保证压电单晶材料很好的用于超声电机等压电器件。

也可以是，本发明中，所述极化处理时，对压电性能符号相同的区域施加方向相同的电场，对压电性能符号相反的区域施加方向相反的电场。由此，保证极化后相邻区域压电性能相反。

也可以是，本发明中，所述极化处理时，所述极化处理每一次只针对压电性能符号相同的区域进行。由此，避免相邻区域同时极化时剪切应力太大而造成样品开裂等问题。

也可以是，本发明中，所述极化处理的次数为两次以上，区域数量以下。由此，对压电性能符号相同的区域极化一次，然后在对压电性能符号相反的区域施加相反电场极化一次，总共分两次极化的效果最好，样品的均匀性最好，压电驱动器应用时对压电元件的均匀性要求较高。

也可以是，本发明中，所述极化处理最好为两次。由此，获得的样品的均匀性最好。

也可以是，本发明中，所述压电单晶材料为铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)、铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)、铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅(PIMNT)。由此，该些材质目前在弛豫铁电压电单晶中最具产业化前景，本发明可针对该些材料进行分区极化，几乎可囊获目前可用的所有品类，适用范围广泛。

也可以是，本发明中，所述压电单晶材料的内圆直径为0.5mm～90mm，外圆直径为2mm～100mm，厚度为0.2～50mm。由此，能覆盖驱动器用环状压电材料的尺寸。

也可以是，本发明中，所述极化处理时施加的电场为E，Ec≤E≤10Ec，其中Ec为所极化晶体材料的矫顽场。由此，实验室通常选用的极化条件，既能保证压电元件能够极化，又不会因为所加电场太高是样品碎裂。

也可以是，本发明中，所述极化处理时的温度为T，室温≤T≤Td，其中Td为压电单晶材料的退极化温度。由此，T覆盖了极化时所用的温度范围，室温样品即可极化，温度越高，电畴转向约容易，极化时所需要施加的极化电场越低，但是当温度高于Td时样品的压电性能会退化，超过此温度样品无法极化。

也可以是，本发明中，所述极化处理时的时间为t，t≥1s。由此，由于极化过程是样品内电畴的转向过程，实验室通常的极化时间是10-30min，以保证单畴有充足的时间转向，但是理论上电畴转向的时间很快，不到1秒就可以完成，所以极化处理时间只要大于该时间即可。

发明效果：

本发明能提供一种能够高效优质地对压电单晶材料进行分区极化，并且性能均匀性好、晶体不容易碎裂、成品率高的适用于压电单晶材料的极化方法。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的压电单晶材料的分区示意图；

图2是根据本发明的实施例2的压电单晶材料的分区示意图；

图3是根据本发明的实施例3的压电单晶材料的分区示意图；

图4是根据本发明的实施例4的压电单晶材料的分区示意图。

具体实施方式

以下结合下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

在此公开一种适用于压电单晶材料的极化方法，主要用于压电单晶材料的分区极化，具备分区步骤和极化步骤。

具体地，压电单晶材料形成为环形，以从环形截面观察时沿周向均等分割为若干区域的形式进行分割，并使分割后的各区域在上下表面上形成导电电极而在分割线处无导电电极，由于是在轴向上沿径向分割，因此压电单晶材料正面和背面分割区域完全相同。此外，设定各区域中的任一区域与相邻区域具有相反的压电性能符号，而与被相邻区域隔开的相隔区域具有相同的压电性能符号。为了便于理解说明，在下述实施例中，按照同一旋转方向(例如顺时针方向)将不同分割区域依次编号为A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4等，编完为止。其中，A组区域与B组区域为压电性能符号相反，而A组区域内的A1、A2等彼此压电性能符号相同，B组区域内的B1、B2等彼此压电性能符号相同。

然后，在A组区域与B组区域内选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，与此同时使其余区域的上下表面通过导电物质连接。具体例如，从A组区域内选择一个以上压电性能符号相同的区域A1、A2等，或者也可从B组区域内选择一个以上压电性能符号相同的区域B1、B2等，其余未被选择的区域的上下表面需用导电物质连接，由此能保证在极化过程中除极化区域外，其它所有区域各自上下表面处于同一电位。

当所选择的区域完成极化处理后，在未极化处理的区域中继续选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，与此同时使包含已极化处理的区域的其余区域的上下表面通过导电物质连接。如此，依次在未极化处理的区域中选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理直至各区域均完成。

本发明中，优选地，极化处理时施加的电场为E，Ec≤E≤10Ec，其中Ec为所极化晶体材料的矫顽场。极化处理时的温度为T，室温≤T≤Td，其中Td为压电单晶材料的退极化温度。极化处理时的时间为t，t≥1s。

本发明中，极化处理时，对压电性能符号相同的区域施加方向相同的电场，对压电性能符号相反的区域施加方向相反的电场。极化处理的次数为两次以上，区域数量以下，但优选为两次。本发明中，压电单晶材料可为铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)、铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)、铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅(PIMNT)，但并不限于此，例如PZT陶瓷亦可适用。此外，本发明中，压电单晶材料的内圆直径优选为0.5mm～90mm，外圆直径优选为2mm～100mm，厚度优选为0.2～50mm。

根据本发明，本发明的极化方法能够高效优质地对压电单晶材料进行分区极化，压电单晶材料性能均匀性好，且晶体压电单晶材料不容易碎裂，成品率高。能够保证压电单晶材料很好的用于超声电机等压电器件。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

(实施例1)

图1是根据本发明的实施例1的压电单晶材料的分区示意图。如图1所示，将PIMNT晶体1加工成环形，环的厚度为2mm，内径为20mm，外径为30mm。在其上下表面披覆电极，将环形的PIMNT晶体1分成10个相等的区域，PIMNT晶体1的正面和背面分割区域完全相同，分割线处无导电电极，上下表面除分割线以外区域均有导电电极(导电电极未图示)。按照顺时针方向各区域编号依次为A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4、A5、B5。

首先，选取一个以上压电性能符号相同的区域、即A1、A2、A3、A4、A5区域并对其进行极化处理。在极化处理A1、A2、A3、A4、A5区域时，使B1、B2、B3、B4、B5区域的上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1.5KV，极化处理温度为50℃，极化处理时间为30分钟。

当对A1、A2、A3、A4、A5区域极化处理完成后，再在未极化处理的区域中选择一个以上压电性能符号相同的区域、即B1、B2、B3、B4、B5区域并对其进行极化处理，极化处理B1、B2、B3、B4、B5区域时，A1、A2、A3、A4、A5区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1.5KV，极化处理温度为50℃，极化处理时间为30分钟。极化处理时，A组区域和B组区域施加的电场方向相反。

下表示出了根据本发明的实施例1的压电单晶材料分区极化后各区域的压电性能；

编号	A1	B1	A2	B2	A3	B3	A4	B4	A5	B5
											压电常数d<sub>33</sub>	1552	-1573	1584	-1546	1533	-1607	1612	-1625	1596	-1567

由此可见，压电单晶材料分区极化后未破裂且性能良好。

(实施例2)

图2是根据本发明的实施例2的压电单晶材料的分区示意图。如图2所示，将PMNT晶体1加工成环形，环的厚度为3mm，内径为16mm，外径为32mm。上下表面披覆电极，将环形PMNT晶体1分成8个相等的区域，PMNT晶体1正面和背面分割区域完全相同，分割线处无导电电极，上下表面除分割线以外区域均有导电电极。按照顺时针方向各区域编号依次为A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4。

首先，对A1、A2区域进行极化处理，极化处理A1、A2区域时，将其它区域A3、A4、B1、B2、B3、B4区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1.8KV，极化处理温度为室温，极化处理时间为10分钟。当对A1、A2区域极化处理完成后，再对A3、A4区域进行极化处理，极化处理A3、A4区域时，A1、A2、B1、B2、B3、B4区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1.8KV，极化处理温度为室温，极化处理时间为10分钟。当对A3、A4区域极化处理完成后，再对B1、B2、B3、B4区域进行极化处理，极化处理B1、B2、B3、B4区域时，将其它区域A1、A2、A3、A4区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1.8KV，极化处理温度为室温，极化处理时间为10分钟。极化处理时A组区域和B组区域施加的电场方向相反。

下表示出了根据本发明的实施例2的压电单晶材料分区极化后各区域的压电性能；

编号	A1	B1	A2	B2	A3	B3	A4	B4
									压电常数d<sub>33</sub>	1678	-1623	1584	-1596	1543	-1625	1578	-1692

由此可见，压电单晶材料分区极化后未破裂且性能良好。

(实施例3)

图3是根据本发明的实施例3的压电单晶材料的分区示意图。如图3所示，将PZNT晶体1加工成环形，环的厚度为1mm，内径为8mm，外径为14mm。披覆电极，将环形PZNT晶体1分成6个相等的区域，PZNT晶体1正面和背面分割区域完全相同，分割线处无导电电极，上下表面除分割线以外区域均有导电电极。按照顺时针方向各区域编号依次为A1、B1、A2、B2、A3、B3。

首先，对A1区域进行极化处理，极化处理A1区域时，将其它区域A2、A3、B1、B2、B3区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1KV，极化处理温度为125℃，极化处理时间为3分钟。当对A1区域极化处理完成后，再对B1区域进行极化处理，极化处理B1区域时，A1、A2、A3、B2、B3区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场1KV，极化处理温度为125℃，极化处理时间为3分钟。当对B1区域极化处理完成后，再对分别对A2、A3、B2、B3四个区域依次进行极化处理，极化处理时施加的电场1KV，极化处理温度为125℃，极化处理时间为3分钟。极化处理时A组区域和B组区域施加的电场方向相反。

下表示出了根据本发明的实施例3的压电单晶材料分区极化后各区域的压电性能；

编号	A1	B1	A2	B2	A3	B3
							压电常数d<sub>33</sub>	1351	-1523	1456	-1573	1398	-1466

由此可见，压电单晶材料分区极化后未破裂且性能良好。

(实施例4)

图4是根据本发明的实施例4的压电单晶材料的分区示意图。如图4所示，将PIMNT晶体1加工成环形，环的厚度为4mm，内径为10mm，外径为25mm。披覆电极，将环形PIMNT晶体1分成12个相等的区域，PIMNT晶体1正面和背面分割区域完全相同，分割线处无导电电极，上下表面除分割线以外区域均有导电电极。按照顺时针方向各区域编号依次为A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4、A5、B5、A6、B6。

首先，对A1、A2、A3、A4、A5、A6区域进行极化处理，极化处理A1、A2、A3、A4、A5、A6区域时，B1、B2、B3、B4、B5、B6区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场5KV，极化处理温度为135℃，极化处理时间为45分钟。当对A1、A2、A3、A4、A5、A6区域极化处理完成后，再对B1、B2、B3、B4、B5、B6区域进行极化处理，极化处理B1、B2、B3、B4、B5、B6区域时，A1、A2、A3、A4、A5、A6区域上下表面用导线连接。极化处理时施加的电场4KV，极化处理温度为120℃，极化处理时间为20分钟。极化处理时A组区域和B组区域施加的电场方向相反。

下表示出了根据本发明的实施例4的压电单晶材料分区极化后各区域的压电性能；

编号	A1	B1	A2	B2	A3	B3	A4	B4	A5	B5	A6	B6
													压电常数d<sub>33</sub>	1453	-1476	1497	-1506	1514	-1529	1483	-1476	1461	-1495	1476	-1445

由此可见，压电单晶材料分区极化后未破裂且性能良好。

综上所述，本发明开发了一种与仅适用于压电陶瓷的传统极化方法非常不同的适合压电单晶材料的极化方法，即分区极化工艺，可为新型压电单晶材料的分区极化提供有效的极化工艺。根据本发明，能够成功的对压电单晶材料进行分区极化，且压电单晶材料不容易碎裂，且性能均匀性好，从而能够保证压电单晶材料很好的用于超声电机等压电器件，增加市场兼容性。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，具备：

分区步骤：

将环形的所述压电单晶材料以从环形截面观察时在周向均等分割为若干区域的形式进行分割，并使分割后的各区域在上下表面上形成导电电极而在分割线处无导电电极；设定所述各区域中的任一区域与相邻区域具有相反的压电性能符号，而与被所述相邻区域隔开的相隔区域具有相同的压电性能符号；

极化步骤：

在所述各区域中选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，与此同时使其余区域的上下表面通过导电物质连接；当所选择的区域完成极化处理后，在未极化处理的区域中继续选择一个以上压电性能符号相同的区域进行极化处理，与此同时使包含已极化处理的区域的其余区域的上下表面通过导电物质连接；如此，在未极化处理的区域中选择一个以上压电性能符号相同的区域依次进行极化处理直至所述各区域均完成。

2.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理时，对压电性能符号相同的区域施加方向相同的电场，对压电性能符号相反的区域施加方向相反的电场。

3.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理时，所述极化处理每一次只针对压电性能符号相同的区域进行。

4.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理的次数为两次以上，区域数量以下。

5.根据权利要求4所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理为两次。

6.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述压电单晶材料为铌锌酸铅-钛酸铅（PZNT）、铌镁酸铅钛酸铅（PMNT）或铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅（PIMNT）。

7.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述压电单晶材料的内圆直径为0.5mm~90mm，外圆直径为2mm~100mm，厚度为0.2~50mm。

8.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理时施加的电场为E，Ec≤E≤10Ec，其中Ec为所极化晶体材料的矫顽场。

9.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理时的温度为T，室温≤T≤Td，其中Td为压电单晶材料的退极化温度。

10.根据权利要求1所述的一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，所述极化处理时的时间为t，t≥1s。

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