压电陶瓷纤维的极化工艺研究

摘 要：锆钛酸铅（Pb（ZrxTi1-x）O3，简称 PZT）压电陶瓷纤维具有大长径比、压电性能高等特点，但现有的极化工艺在轴向方向只能对几毫米压电陶瓷纤维进行极化，导致压电陶瓷纤维无法获得优异的压电性能。本文借助高温空气极化方法，确定了最佳极化条件，成功对长度为80mm，直径为0.25mm的PZT压电纤维进行整体极化，性能相较于传统极化工艺提升42.86%，接近块状PZT压电纤维常规极化的d33上限420pC·N-1

关键词：PZT压电陶瓷；高温空气极化；极化条件

1 引 言

锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷材料内部结构稳定，具有优异的机－电能转化能力，是当下功能材料中研究的热点[1]。目前，PZT压电纤维的制备技术已经较为成熟，但针对PZT纤维的性能优化仍有待提高，尤其是对于具有较大长径比的单根PZT压电纤维的极化工艺的研究尚不充分。因此，研究人员迫切寻求一种高效的极化方法，以充分发挥压电纤维的性能。

常规的极化方法为热极化，将未极化的压电纤维放入硅油加热至120°C，加上3～4kV/mm的直流电场，极化15-20min，通过施加外部电压使所有的电畴取向与外加电压方向一致，从而使压电纤维呈现压电性[4]。高温空气极化是以空气为介质，通过提升温度来降低极化电压的一种极化工艺。高温极化过程中，当压电陶瓷从居里温度以上降至居里温度以下时，材料会发生从顺电相到铁电相的转变，电畴开始形成。从电畴萌芽状态时就加上电场，使得顺电-铁电相变在外加电场的作用下进行，电畴一出现就有较高的择尤取向[5]。

2 实验步骤

2.1 压电纤维居里温度的确定

2.1.1 居里温度点测量原理

居里温度是指材料从铁电相到顺电相的相变温度。在这个温度以下，铁电材料能够保持或产生极化；而在居里温度以上，材料失去自发极化能力，压电系数d33趋近于0。因此，可以根据这一规律确定压电纤维的居里温度。

2.1.2 居里温度实验

选取5根常规极化过的压电纤维，设置8个温度点进行8组实验，对每个设定的温度点依次重复实验。

由图1可以看出，温度在300～350℃之间时，样品A、B、C、D、E压电应变系数d33在稳定的范围波动，测量有一定允许范围内的误差。在350℃以后d33显著下降，压电纤维由铁电相转为顺电相，丧失压电性。因此确定PZT压电纤维的居里温度为350℃。

2.2极化电压对压电性能的影响

极化电压E作为压电纤维极化过程中电畴转向的外驱动力，在不超过饱和极化电场的情况下，极化电压E越大，促进电畴转向的能量就越大，极化的程度越完全。

根据居里温度，选取五根20mm纤维，把整个极化过程分为三段，选择起始极化温度为400℃，终止温度为300℃。起始电压选为100V/mm，终止电压选为200V/mm，极化时间选择100s。三段极化电压之间保持50V/mm的间隔，防止导致电畴转向不完全或者过于饱和。改变第二段电压强度E2，第一段、第三段电压始终和第二段电压保持50V/mm电压梯度，压电应变常数d33随E2的变化。

极化完成后把纤维均匀分成5个纤维段进行测量，由图2可以看出，当E2在50～70V/mm段，d33随电压的增大而增大；当E2＞70V/mm时，d33显著下降。表明压电纤维在400-350℃的环境下，70V/mm接近压电纤维的击穿电压，使压电纤维的压电性能下降，因此三段极化分 别取70V/mm、120V/mm、170V/mm。

2.3极化时间对压电性能的影响

选取五根20mm压电纤维，在极化温度400/350/300℃、极化电压70/120/170V·mm-1的条件下，改变极化时间t对压电纤维进行高温空气极化，极化完成后，把纤维截取5段进行测量，d33随T的变化趋势如图3所示。

从图3可以看出，在100-200s区间，随着极化时间t的提高，d33呈上升趋势，表明适当增加极化时间能够有效的提升压电纤维的极化效果。在200s以后，压电应变常数d33未表现出进一步的显著增长，这一现象表明材料已经接近其极化饱和状态，因此极化时间选取200s。

2.4高温空气极化最佳工艺参数

根据上文对极化三要素的实验结果，可以确定最佳极化工艺如表1：

采用最佳极化工艺对长度为80mm纤维进行高温空气极化，得到压电纤维的d33为406 pC·N-1，大于常规油浴极化PZT压电纤维的d33数值277pC·N-1，高温空气极化的样品在压电性能上优于传统油浴极化的样品，性能提升42.86%，表明高温极化工艺具有更佳的极化效果。

3结论

（1）针对目前大长细比压电纤维无法整体极化的问题，采用高温空气极化工艺成功极化长度为80mm压电纤维。

（2）通过与常规油浴极化后的压电纤维压电性能进行对比，发现高温空气极化的压电纤维性能优于常规极化的压电纤维，性能提升42.86%，接近块状PZT压电纤维完全极化后的d33上限420pC·N-1。

（3）提升极化温度能够解决传统极化工艺所需电场高、极化时间长等问题，有助于提高极化效率和降低成本，使得高温空气极化在工业应用中具有显著优势。

参考文献

[1]GUO R，CROSS L E，PARK S E，et al. Origin of the high piezoelectric response in PbZr（1-x）TixO3 [J]. Physical Review Letters， 2000，84（23） ：5423- 5426.

[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]黄新友，高春华、三方/四方相共存铌锑锆钛酸铅压电.陶瓷极化的研究[J].硅酸盐学报，2001， 29（5）： 422-426.

[4]万向红，张绪礼，王筱珍。压电陶瓷高温极化机理研究[J].压电与声光，1996，18（2）：126-128.

[5]顾林松，李国禄，王海斗，等.提高PZT压电性能方法的研究现状[J].材料导报，2013，27（5）：130-13.

[6]万向红，张绪礼，王筱珍.压电陶瓷高温极化机理研究[J].压电与声光，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

项目资助：桂科AB23075215。

作者简介：周西（1995-）男，重庆，硕士研究生。研究方向：压电陶瓷。

通信作者：王岩（1985-）男，山东，博士，助理研究员。研究方向：惯性、声学传感器。