一种适用于压电单晶材料的极化方法技术

本发明专利技术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。根据本发明专利技术，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。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于压电单晶材料的极化方法
本专利技术属于压电单晶材料极化
，涉及一种适用于压电单晶材料的极化方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术要解决的问题：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，本专利技术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，本专利技术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。根据本专利技术，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，因此本专利技术通过形成为上述结构能完善地克服该问题。又，本专利技术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，本专利技术中，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，本专利技术中，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，本专利技术中，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，本专利技术中，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，本专利技术中，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，本专利技术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，本专利技术中，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，本专利技术中，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，本专利技术中，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。也本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于压电单晶材料的极化方法，其特征在于，具备：/n分区步骤：/n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；/n极化步骤：/n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。/n

【技术特征摘要】
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。

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【专利技术属性】
技术研发人员：刘锦峰，许桂生，朱秀，陈梅林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31