極化機內裝電阻對壓電陶瓷性能的影響

廖遠錦

（佛山市金甲環保科技有限公司，佛山528000）

Research&Discussion研究與探討

極化機內裝電阻對壓電陶瓷性能的影響

廖遠錦

（佛山市金甲環保科技有限公司，佛山528000）

生產壓電陶瓷的關鍵工序是極化工序，陶瓷體經過極化后，才有壓電效應。本次試驗是為了深入了解極化機電阻阻值大小對壓電陶瓷體參數的影響。我們通過多次的試驗，掌握了當電阻阻值大時，極化后陶瓷體參數就降低；當電阻阻值小時，極化后陶瓷體參數反而升高；電阻阻值過大，會燒壞電阻；電阻阻值過小，陶瓷體又會被擊穿。

壓電陶瓷；極化

1 簡述生產過程

壓電陶瓷是一種功能性陶瓷，它跟普通陶瓷在使用方面有著很大的區別。壓電陶瓷的生產與一般陶瓷的生產在燒成陶瓷之前，其生產工藝沒有很大的區別，同樣要經過：配料→球磨→造粒→成型→燒成。

普通陶瓷在完成燒成工序后，便成為一件產品，而壓電陶瓷在完成燒成工序后，它還只是一件半成品，還需要經過：磨端面→涂銀→燒銀→極化→裝配等工序才能成為一件產品，在后面5個工序中決定壓電陶瓷體性能的最關鍵工序就是“極化”工序。

2極化對陶瓷體內電疇的取向

當壓電陶瓷體在燒成后其體內的電疇排列是無序的指向各個方向，如圖1所示（箭頭所指方向為電疇方向），而“極化”工序就是對陶瓷體施加外電壓，形成電磁場，使陶瓷體內的電疇排列，從無序到定向排列，如圖2所示。陶瓷體經極化后便具有極性，從而使陶瓷體在施加外力的作用下電疇產生轉向，如圖3所示，在轉向過程中它釋放能量，使陶瓷體兩端面產生正電荷和負電荷，電荷經過導線傳到放電針而產生放電現象。當撤消外力作用時，陶瓷體內的電疇就會回復原狀，等待下一輪外力作用。

圖1 無序電疇排列

圖2 定向電疇排列

圖3 電疇轉向排列

因此，陶瓷體在極化過程中，它的電疇取向程度將會直接影響陶瓷體的性能質量，而電疇取向又取決于陶瓷體兩端面所受到電壓大小的影響，所以極化機的極化性能是至關重要。下面簡單介紹極化機的工作原理如圖4所示。

圖4 極化機的工作原理圖

從圖4中我們以看到，壓電陶瓷體與電阻是形成一個串聯電路，當A-B兩端輸出電壓后，根據電學的串聯電路原理，電阻阻值的改變將會影響到施加在壓電陶瓷體兩端的電壓，使極化的電磁場也隨之改變，所以生產出的產品質量也受到影響。

3極化電阻大小對陶瓷體參數的影響

下面我們從生產車間取一批號為TCT-000803的壓電陶瓷體做電阻阻值對陶瓷體極化效果的對比試驗：（注：在以下一系列的試驗中，都是用批號為TCT-000803的陶瓷體作為樣品，下面簡稱樣品）。

在樣品中抽取30粒陶瓷體，放入極化盤中，然后在極化機安裝阻值為2.0 MΩ的電阻，其余工藝參數按正常極化操作規程進行極化，極化完成后測量其參數，得出如下表1所示。

為了了解極化機電阻阻值對陶瓷體參數的影響，我們在樣品中再抽取30粒陶瓷體放入極化盤中，將極化機的電阻更換為阻值為2.2 MΩ的電阻，其余工藝參數按正常極化操作規程進行極化，極化完成后測量其參數，得出如下表2所示。

從這兩次的試驗結果，可以看到極化機電阻對陶瓷體參數有很大的影響，當阻值為2.0 MΩ時，極化后d33平均值為460.12×10-12C/N，而當阻值為2.2 MΩ時，極化后d33平均值為369.4×10-12C/N。

根據兩次試驗結果，證明電阻阻值的大小對壓電陶瓷體的參數是有著直接的關系，于是我們對電阻阻值范圍作進一步的擴大，首先將阻值換成1.8 MΩ再進行極化試驗，在樣品中再抽取30粒進行試驗，其余工藝參數仍然按正常極化操作規程進行極化，在極化到15分鐘時就出現陶瓷體被多次擊穿，到極化完成后，發現有6粒陶瓷體有擊穿現象，其中有2粒出現粉碎，因此，最后測得結果如表3所示。

表1用2.0 MΩ電阻極化結果（試驗d33平均值為460.12×10-12C/N）

表2用2.2 MΩ電阻極化結果（試驗d33平均值為369.4×10-12C/N）

表3用1.8MΩ電阻極化結果（試驗d33平均值為461.4×10-12C/N）

將阻值換成1.8 MΩ后，d33的平均值只有輕微的提高，但陶瓷體卻有被擊穿現象，造成陶瓷體的參數范圍增大從451×10-12～470×10-12C/N，并且有6粒被擊穿（4粒斷裂，2粒粉碎），成為廢品，不利于正常生產。而從表1可知，阻值為2.0 MΩ時，其陶瓷體參數范圍為466×10-12～455×10-12C/N，參數范圍比較集中，對生產的控制比較有利。

現在我們又從另一個方向去進行試驗，將阻值換成2.5 MΩ再進行極化試驗，在樣品中抽取30粒進行試驗，其余工藝參數仍然按正常極化操作規程進行極化，在極化到12 min時就出現電阻被燒壞，極化操作不能繼續下去。于是我們又將電阻阻值換成2.3 MΩ再進行極化試驗，再從樣品中再抽取30粒進行試驗，其余工藝參數仍然按正常極化操作規程進行極化，極化過程順利，在完成極化后測量其參數，得出如下表4所示。

將電阻阻值換成2.3MΩ后，陶瓷體極化參數比用阻值為2.2 MΩ極化參數有所降低，進一步證明電阻阻值大小，將會直接影響壓電陶瓷體的極化效果。

4影響原因分析

通過電學原理，我們可知：在串聯電路中，串聯電路實際是分壓電路，根據公式：U=IR（U為電壓；I為電流；R為電阻），在總電流不變的情況下，當電阻增大時，電阻中的兩端電壓增大，反之，當電阻減少時，電阻中的兩端電壓變小。因此，同一道理，極化機的電阻與陶瓷體是在同一個電路上，電阻與陶瓷體（可以把陶瓷體看成是一個電阻）在電路上是串聯的，所以在總電流不變的情況下，當電阻阻值增加時，陶瓷體的阻值卻沒有改變，分壓到電阻兩端的電壓變大，而作用在陶瓷體兩端的電壓變小，造成陶瓷體極化效果差，若電阻阻值過大時，使得電阻兩端的電壓超出電阻所能承受的電壓，就會造成電阻被燒壞；當電阻阻值減少時，陶瓷體所受到的電壓增加，極化效果會較好，若電阻阻值過小時，會使作用在陶瓷體兩端面的電壓升高過大，當超出陶瓷體所能承受的電壓時，就會造成陶瓷體被擊穿。因此，我們在實際生產中要根據企業生產情況，選擇好極化電阻的阻值，將會使產品性能發揮到最佳狀態。

表4用2.3 MΩ電阻極化結果（該次試驗d33平均值為365.7×10-12C/N）

5結論

我們通過以上四次的試驗，清楚地了解到極化機電阻對壓電陶瓷體性能及生產的影響是非常直接的，現在我將本輪試驗結果整理出來進行對比：當電阻阻值為2.0 MΩ時，陶瓷體的d33平均值為460.12×10-12C/N；當電阻阻值為2.2 MΩ時，陶瓷體的d33平均值為369.4×10-12C/N；當電阻阻值為1.8 MΩ時，陶瓷體的d33平均值為461.4×10-12C/N（單看參數雖然有所提高，但在生產過程中出現擊穿，造成20%的陶瓷體成為廢品）；當電阻阻值為2.3 MΩ時，陶瓷體的d33平均值為365.7×10-12C/N；當電阻阻值為2.5 MΩ時，極化機的電阻出現燒壞，不能正常生產。

因此，我們要根據企業自身的實際情況，在生產前必須要進行反復試驗，找出適合本配方生產的電阻阻值，因為不同配方生產的陶瓷體其所能承受的電壓是不同的，在改變生產配方的同時就要進行生產試驗，找出適合該配方的電阻阻值來進行生產，但不管是用什么配方生產的陶瓷體，它在極化過程都是遵循電學原理，在串聯電路中，串聯電阻阻值的變化，會直接影響作用在陶瓷體兩端面所受到的電壓，當電阻阻值增大時，陶瓷體兩端面受到的電壓就會降低，而當電阻阻值減小時陶瓷體兩端面受到的電壓就會升高，但當陶瓷體兩端面電壓超出陶瓷體所能承受的電壓時，就會出現擊穿現象，使生產不能正常進行，所以，要使企業產品的質量達到最好水平，對極化機電阻阻值的選擇是非常重要的。

[1]李沃,黎錦華.開發高質量的壓電陶瓷點火器[J].陶瓷,1990(5):50-52.