壓電陶瓷纖維的極化工藝研究

摘 要：鋯鈦酸鉛（Pb（ZrxTi1-x）O3，簡稱 PZT）壓電陶瓷纖維具有大長徑比、壓電性能高等特點，但現有的極化工藝在軸向方向只能對幾毫米壓電陶瓷纖維進行極化，導致壓電陶瓷纖維無法獲得優異的壓電性能。本文借助高溫空氣極化方法，確定了最佳極化條件，成功對長度為80mm，直徑為0.25mm的PZT壓電纖維進行整體極化，性能相較于傳統極化工藝提升42.86%，接近塊狀PZT壓電纖維常規極化的d33上限420pC·N-1

關鍵詞：PZT壓電陶瓷；高溫空氣極化；極化條件

1 引 言

鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷材料內部結構穩定，具有優異的機－電能轉化能力，是當下功能材料中研究的熱點[1]。目前，PZT壓電纖維的制備技術已經較為成熟，但針對PZT纖維的性能優化仍有待提高，尤其是對于具有較大長徑比的單根PZT壓電纖維的極化工藝的研究尚不充分。因此，研究人員迫切尋求一種高效的極化方法，以充分發揮壓電纖維的性能。

常規的極化方法為熱極化，將未極化的壓電纖維放入硅油加熱至120°C，加上3～4kV/mm的直流電場，極化15-20min，通過施加外部電壓使所有的電疇取向與外加電壓方向一致，從而使壓電纖維呈現壓電性[4]。高溫空氣極化是以空氣為介質，通過提升溫度來降低極化電壓的一種極化工藝。高溫極化過程中，當壓電陶瓷從居里溫度以上降至居里溫度以下時，材料會發生從順電相到鐵電相的轉變，電疇開始形成。從電疇萌芽狀態時就加上電場，使得順電-鐵電相變在外加電場的作用下進行，電疇一出現就有較高的擇尤取向[5]。

2 實驗步驟

2.1 壓電纖維居里溫度的確定

2.1.1 居里溫度點測量原理

居里溫度是指材料從鐵電相到順電相的相變溫度。在這個溫度以下，鐵電材料能夠保持或產生極化；而在居里溫度以上，材料失去自發極化能力，壓電系數d33趨近于0。因此，可以根據這一規律確定壓電纖維的居里溫度。

2.1.2 居里溫度實驗

選取5根常規極化過的壓電纖維，設置8個溫度點進行8組實驗，對每個設定的溫度點依次重復實驗。

由圖1可以看出，溫度在300～350℃之間時，樣品A、B、C、D、E壓電應變系數d33在穩定的范圍波動，測量有一定允許范圍內的誤差。在350℃以后d33顯著下降，壓電纖維由鐵電相轉為順電相，喪失壓電性。因此確定PZT壓電纖維的居里溫度為350℃。

2.2極化電壓對壓電性能的影響

極化電壓E作為壓電纖維極化過程中電疇轉向的外驅動力，在不超過飽和極化電場的情況下，極化電壓E越大，促進電疇轉向的能量就越大，極化的程度越完全。

根據居里溫度，選取五根20mm纖維，把整個極化過程分為三段，選擇起始極化溫度為400℃，終止溫度為300℃。起始電壓選為100V/mm，終止電壓選為200V/mm，極化時間選擇100s。三段極化電壓之間保持50V/mm的間隔，防止導致電疇轉向不完全或者過于飽和。改變第二段電壓強度E2，第一段、第三段電壓始終和第二段電壓保持50V/mm電壓梯度，壓電應變常數d33隨E2的變化。

極化完成后把纖維均勻分成5個纖維段進行測量，由圖2可以看出，當E2在50～70V/mm段，d33隨電壓的增大而增大；當E2＞70V/mm時，d33顯著下降。表明壓電纖維在400-350℃的環境下，70V/mm接近壓電纖維的擊穿電壓，使壓電纖維的壓電性能下降，因此三段極化分 別取70V/mm、120V/mm、170V/mm。

2.3極化時間對壓電性能的影響

選取五根20mm壓電纖維，在極化溫度400/350/300℃、極化電壓70/120/170V·mm-1的條件下，改變極化時間t對壓電纖維進行高溫空氣極化，極化完成后，把纖維截取5段進行測量，d33隨T的變化趨勢如圖3所示。

從圖3可以看出，在100-200s區間，隨著極化時間t的提高，d33呈上升趨勢，表明適當增加極化時間能夠有效的提升壓電纖維的極化效果。在200s以后，壓電應變常數d33未表現出進一步的顯著增長，這一現象表明材料已經接近其極化飽和狀態，因此極化時間選取200s。

2.4高溫空氣極化最佳工藝參數

根據上文對極化三要素的實驗結果，可以確定最佳極化工藝如表1：

采用最佳極化工藝對長度為80mm纖維進行高溫空氣極化，得到壓電纖維的d33為406 pC·N-1，大于常規油浴極化PZT壓電纖維的d33數值277pC·N-1，高溫空氣極化的樣品在壓電性能上優于傳統油浴極化的樣品，性能提升42.86%，表明高溫極化工藝具有更佳的極化效果。

3結論

（1）針對目前大長細比壓電纖維無法整體極化的問題，采用高溫空氣極化工藝成功極化長度為80mm壓電纖維。

（2）通過與常規油浴極化后的壓電纖維壓電性能進行對比，發現高溫空氣極化的壓電纖維性能優于常規極化的壓電纖維，性能提升42.86%，接近塊狀PZT壓電纖維完全極化后的d33上限420pC·N-1。

（3）提升極化溫度能夠解決傳統極化工藝所需電場高、極化時間長等問題，有助于提高極化效率和降低成本，使得高溫空氣極化在工業應用中具有顯著優勢。

參考文獻

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[2]Veved A， Ejuh G W， Djongyang N. Review of emerging materials for PVDF-based energy harvesting[J]. Energy Reports， 2022， 8： 12853- 12870.

[3]黃新友，高春華、三方/四方相共存鈮銻鋯鈦酸鉛壓電.陶瓷極化的研究[J].硅酸鹽學報，2001， 29（5）： 422-426.

[4]萬向紅，張緒禮，王筱珍。壓電陶瓷高溫極化機理研究[J].壓電與聲光，1996，18（2）：126-128.

[5]顧林松，李國祿，王海斗，等.提高PZT壓電性能方法的研究現狀[J].材料導報，2013，27（5）：130-13.

[6]萬向紅，張緒禮，王筱珍.壓電陶瓷高溫極化機理研究[J].壓電與聲光，1996，18（2）：126-128.

Abstract： Lead zirconate titanate （Pb（ZrxTi1-x）O3， short for PZT） piezoelectric ceramic fiber has the characteristics of large length-to-fine ratio and high piezoelectric properties， but the existing polarization process can only polarize a few millimeters of piezoelectric ceramic fiber in the axial direction， resulting in the piezoelectric fiber can not obtain excellent piezoelectric properties. In this paper， the optimal polarization conditions were determined by using the high-temperature air polarization method. The PZT piezoelectric fiber with a length of 80mm and a diameter of 0.25mm was successfully polarized as a whole. The performance of the PZT piezoelectric fiber was improved by 42.86% compared with the traditional polarization process， and the d33 upper limit of the conventional polarization of the PZT fiber was close to 420pC·N-1.

Keywords： PZT piezoelectric ceramics; High temperature air polarization; Polarization condition

項目資助：桂科AB23075215。

作者簡介：周西（1995-）男，重慶，碩士研究生。研究方向：壓電陶瓷。

通信作者：王巖（1985-）男，山東，博士，助理研究員。研究方向：慣性、聲學傳感器。