激励方式对锆钛酸铅钡锶压电陶瓷介电性能的影响

范景波，谢冬生，潘铁政，方响华，沈湘黔

（1.昆山攀特电陶科技有限公司，江苏 昆山215300；2.江苏大学材料科学与工程学院，江苏 镇江212013）

压电陶瓷作为一种新型功能材料，已被广泛应用于电子产品的制造和实验室研究。压电陶瓷应用广泛，其工作原理可以简单归结为压电陶瓷的压电效应、逆压电效应。压电效应的应用主要集中在能量采集方面；逆压电效应的应用较广，包括用于超声清洗的压电超声换能片、用于纺织业控制针头提花的压电弯曲致动器、用于精细控制测量位移的压电陶瓷驱动器等。应用方向和领域不同，对压电陶瓷本身性能的侧重要求也截然不同，如，针对压电陶瓷工作发热情况，对于纺织用弯曲致动系列，需要考虑250V／mm下的介质损耗，而对于触控用压电陶瓷叠层执行器来说，需要考虑1 000V／mm 下的强场损耗。这2种条件下的介质损耗反映在介质损耗与电场强度的关系上，却不是简单的线性关系。因此，研究不同激励方式对压电陶瓷电性能的影响，对于压电陶瓷的应用具有重要参考价值。Yu等［1］研究了Ba（Ti0.7Zr0.3）O3在电场下的介电特性，结果表明，在激励电场下，Ba（Ti0.7Zr0.3）O3介电性能与电场强度之间呈现非线性变化。Sawyer等［2］和伍建新等［3］探索了压电陶瓷晶体在受到电场的激励和自由状态下的体积变化，进而比较了2种状态下的介电常数，结果表明，场强束缚对压电晶体的介电常数影响明显。Yang等［4］研究了偏场下PZT的介电特性和压电特性，并发现，偏场的存在的确对PZT 内部的畴结构有影响，且能有规律影响kp、εr等的变化。Wang等［5］研究了偏场对压电陶瓷的参数性能的影响，发现在偏场下，压电陶瓷的机电耦合系数与介电常数随着偏场强度的变化而变化，并给出实际应用中应该注意的建议。本实验主要研究激励场强对压电陶瓷介电性能的影响和偏场强度对压电陶瓷机电耦合特性的影响。

1 实验

1.1 样品制备

根据（Pb0.70Ba0.26Sr0.04）（Zr0.52Ti0.48）O3（PBSZT）的化学组成，将称量好的纯度≥99.9%（质量分数）的Pb3O4、BaCO3、SrCO3、ZrO2和TiO2粉体经4～6h振动磨混合后，放入马弗炉中于1 090℃预烧3h。再将预烧料粉碎、磨细至D50=0.77μm之后，与聚乙烯醇（PVA）混合，采用轧膜工艺制成圆片状（φ7.2mm×0.66mm）生坯，然后在1 290℃保温120min烧成。烧成的瓷片表面被银电极，常温950V 空气点极化1min。

1.2 样品表征

用JSM-6309LV 型扫描电子显微镜观察陶瓷样品的形貌。用日本理学D／max-rA 型X 射线衍射仪分析样品的物相组成，Cu Kα1辐射，石墨单色器，管电流为100mA，管电压为50kV；扫描速率为8（°）／min，步宽为0.01（°）／min。用高精密电容介损测试仪（KMSB-30型）测试样品在不同电场强度下的自由电容（CT）和介电损耗（tanδ）。通过自建电路集成直流电源和标准电容，在NW1232型低频频率特性测试仪上得到偏场强度对压电陶瓷机电耦合系数（kp）的影响关系。

2 结果与讨论

2.1 PBSZT陶瓷的形貌与结构

图1 PBSZT 陶瓷断面的SEM 照片Fig.1 SEM photographs of cross section morphology of（Pb0.70Ba0.26Sr0.04）（Zr0.52Ti0.45）O3（PBSZT）ceramics

图1 为PBSZT 陶瓷的断裂截面形貌。由图1可以看出：陶瓷的晶粒之间结合紧密，陶瓷呈现晶间断裂，且结构中的气孔等缺陷较少。

图2为PBSZT 的X 射线衍射（XRD）谱。对比Hwang等［6］表征的PZT 结构可以发现，样品为单一的钙钛矿相。试验样品经过正常降温处理，从2θ位于43°～46°对应的衍射峰［7］可见，PBSZT 样品具有三方相结构，也表明陶瓷未受到温度突变，内部无明显热应力。

图2 PBSZT 陶 瓷 的XRD 谱Fig.2 XRD pattern of PBSZT ceramics

2.2 PBSZT陶瓷在激励电场下的介电性能

图3 为PBSZT 陶瓷介电性能与电场强度的关系。由图3 可以看出，PBSZT 陶瓷的自由电容（CT）、介电损耗（tanδ）随着电场强度的增加呈现先升后降的变化趋势，且均在同一点发生激增，而后缓慢下降。

图3 PBSZT 陶瓷介电性能与电场强度（E）的关系Fig.3 Relationship between dielectric properties of PBSZT and electric strength（E）

通常压电陶瓷的CT变化伴随着极化，极化过程会使得压电应变常数（d33）与CT同步增加，而样品经激励电场测试后，PBSZT 陶瓷的d33由测试前的460pC／N 下降到280pC／N。而压电特性由畴结构转向数量决定，经过强场作用导致部分电畴发生回转，根据介电常数关系：

式中：ε为压电陶瓷的介电常数；ε0为真空介电常数；α为压电陶瓷的极化率。电畴回转会导致α降低，同时d33与CT随之下降。若CT不再增加，充电造成的电流减小；α 降低，则介质极化导致的电流减少。多方面的作用，使得tanδ 的下降速率大于CT。这种变化趋势与Liu等［8］研究的电场下的压电系数变化以及畴转行为一致。

2.3 PBSZT陶瓷在偏场下的介电性能

图4为PBSZT 陶瓷的介电性能与偏场强度的关系。由图4可以看出：在正向偏场中，PBSZT 陶瓷的自由电容（CT）随着偏场强度的增加逐渐降低，而在反向偏场中，随着偏场强度的增加逐渐升高。在正、反偏场中，介电损耗（tanδ）均随着偏场强度的增加呈现上升趋势。

在压电陶瓷上施加偏场，类似将压电陶瓷置于极化状态，压电陶瓷晶体结构发生相应变化，当有正向偏场存在时，极化方向表现为被拉伸。微观上，陶瓷的厚度增加，压电陶瓷电容器的CT减小，反之，在反向偏场中，厚度方向表现为被压缩，CT增大。压电陶瓷拉伸比压缩的自由空间大，因此，图示中CT的减小速率更大。

图4 PBSZT 陶瓷的介电性能与偏场强度的关系Fig.4 Relationship between dielectric properties of PBSZT ceramics and bias field strength

压电陶瓷介电损耗在结构稳定时最小，因此，当有外部条件使其结构发生畸变时，介质损耗因电容电流、电导损耗的增加而增大，其变化速率与CT同步。图5为PBSZT 陶瓷的机电耦合系数（kp）与偏场强度的关系。根据图6的电路示意图，以压电陶瓷极化方向为参考方向，在PBSZT 陶瓷上施加偏压电场，结果表明，随着小信号正向电场强度的增加，kp值有增加趋势，而随着小信号反向电场强度的增加，kp值有下降趋势。

图5 PBSZT 陶瓷的机电耦合系数（kp）与偏场强度的关系Fig.5 Relationship between kpof PBSZT ceramics and bias field strength

图6 在偏场下测试PBSZT 陶瓷kp的电路示意图Fig.6 Testing circuit diagram of kpof PBSZT ceramics in a bias field

压电陶瓷的极化是畴结构转向在去掉电场后变化的部分保留下来，形成的剩余极化。而畴结构又包含90°畴、180°畴，在饱和电场中，180°畴会完全转向，而90°畴只有部分发生畴转，且在去掉电场后，保留减少，因此，在压电陶瓷结构中存在极化潜能。当有外电场作用在其上时，便会同时影响畴转。试验中的小信号是指不超过压电陶瓷退极化的电场强度，结果表明，正向偏场有助于kp的增加，而反向偏场有助于抑制kp的衰减。凌志远等［9］在研究压电陶瓷在极化过程中的性能表现时，发现k31随着正向极化强度的提高逐渐增加并趋于平稳；而随着反向极化强度的增强，先下降接近0点，在反向电场强度约为750V／mm 时出现转折，而后逐渐增加并趋于平稳，其表现在正向电场与反向电场的小信号段和本结果一致。该结果与Young等［10］和Yamashita等［11］研究的场控机电耦合特性也基本相同。

3 结论

采用扎膜工艺和固相反应法在1 290℃下制备了结构致密的PBSZT 陶瓷。通过对其激励场强下介电性能、偏压电场下的机电耦合特性的表征，得出以下结论：

1）在激励电场中，PBSZT 陶瓷的CT、tanδ 随着电场强度的增加呈现先升后降的变化，tanδ 下降同时伴随d33衰减。这在强电场下应用压电陶瓷发挥其小的介质损耗优势，同时需考虑其压电特性的下降。

2）在偏压电场中，CT随正向偏场强度的增加，逐渐减小；随着反向偏场强度的增加逐渐增大，tanδ则在正、反偏场中均呈现增加。

3）在偏压电场中，随着小信号正向电场强度的增加，kp值有增加趋势。而随着小信号反向电场强度的增加，kp值有下降趋势，根据这一结果，在压电陶瓷工作环境中适当施加正向偏场，有助于抑制压电陶瓷性能衰减。

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