極化機(jī)內(nèi)裝電阻對(duì)壓電陶瓷性能的影響

廖遠(yuǎn)錦

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Research&Discussion研究與探討

極化機(jī)內(nèi)裝電阻對(duì)壓電陶瓷性能的影響

廖遠(yuǎn)錦

（佛山市金甲環(huán)?？萍加邢薰?，佛山528000）

生產(chǎn)壓電陶瓷的關(guān)鍵工序是極化工序，陶瓷體經(jīng)過極化后，才有壓電效應(yīng)。本次試驗(yàn)是為了深入了解極化機(jī)電阻阻值大小對(duì)壓電陶瓷體參數(shù)的影響。我們通過多次的試驗(yàn)，掌握了當(dāng)電阻阻值大時(shí)，極化后陶瓷體參數(shù)就降低；當(dāng)電阻阻值小時(shí)，極化后陶瓷體參數(shù)反而升高；電阻阻值過大，會(huì)燒壞電阻；電阻阻值過小，陶瓷體又會(huì)被擊穿。

壓電陶瓷；極化

1 簡(jiǎn)述生產(chǎn)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(qū)別。壓電陶瓷的生產(chǎn)與一般陶瓷的生產(chǎn)在燒成陶瓷之前，其生產(chǎn)工藝沒有很大的區(qū)別，同樣要經(jīng)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(chǎn)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(jīng)過：磨端面→涂銀→燒銀→極化→裝配等工序才能成為一件產(chǎn)品，在后面5個(gè)工序中決定壓電陶瓷體性能的最關(guān)鍵工序就是“極化”工序。

2極化對(duì)陶瓷體內(nèi)電疇的取向

當(dāng)壓電陶瓷體在燒成后其體內(nèi)的電疇排列是無序的指向各個(gè)方向，如圖1所示（箭頭所指方向?yàn)殡姰牱较颍皹O化”工序就是對(duì)陶瓷體施加外電壓，形成電磁場(chǎng)，使陶瓷體內(nèi)的電疇排列，從無序到定向排列，如圖2所示。陶瓷體經(jīng)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(chǎn)生轉(zhuǎn)向，如圖3所示，在轉(zhuǎn)向過程中它釋放能量，使陶瓷體兩端面產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷，電荷經(jīng)過導(dǎo)線傳到放電針而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。當(dāng)撤消外力作用時(shí)，陶瓷體內(nèi)的電疇就會(huì)回復(fù)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(zhuǎn)向排列

因此，陶瓷體在極化過程中，它的電疇取向程度將會(huì)直接影響陶瓷體的性能質(zhì)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(jī)的極化性能是至關(guān)重要。下面簡(jiǎn)單介紹極化機(jī)的工作原理如圖4所示。

圖4 極化機(jī)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(gè)串聯(lián)電路，當(dāng)A-B兩端輸出電壓后，根據(jù)電學(xué)的串聯(lián)電路原理，電阻阻值的改變將會(huì)影響到施加在壓電陶瓷體兩端的電壓，使極化的電磁場(chǎng)也隨之改變，所以生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量也受到影響。

3極化電阻大小對(duì)陶瓷體參數(shù)的影響

下面我們從生產(chǎn)車間取一批號(hào)為TCT-000803的壓電陶瓷體做電阻阻值對(duì)陶瓷體極化效果的對(duì)比試驗(yàn)：（注：在以下一系列的試驗(yàn)中，都是用批號(hào)為TCT-000803的陶瓷體作為樣品，下面簡(jiǎn)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(jī)安裝阻值為2.0 MΩ的電阻，其余工藝參數(shù)按正常極化操作規(guī)程進(jìn)行極化，極化完成后測(cè)量其參數(shù)，得出如下表1所示。

為了了解極化機(jī)電阻阻值對(duì)陶瓷體參數(shù)的影響，我們?cè)跇悠分性俪槿?0粒陶瓷體放入極化盤中，將極化機(jī)的電阻更換為阻值為2.2 MΩ的電阻，其余工藝參數(shù)按正常極化操作規(guī)程進(jìn)行極化，極化完成后測(cè)量其參數(shù)，得出如下表2所示。

從這兩次的試驗(yàn)結(jié)果，可以看到極化機(jī)電阻對(duì)陶瓷體參數(shù)有很大的影響，當(dāng)阻值為2.0 MΩ時(shí)，極化后d33平均值為460.12×10-12C/N，而當(dāng)阻值為2.2 MΩ時(shí)，極化后d33平均值為369.4×10-12C/N。

根據(jù)兩次試驗(yàn)結(jié)果，證明電阻阻值的大小對(duì)壓電陶瓷體的參數(shù)是有著直接的關(guān)系，于是我們對(duì)電阻阻值范圍作進(jìn)一步的擴(kuò)大，首先將阻值換成1.8 MΩ再進(jìn)行極化試驗(yàn)，在樣品中再抽取30粒進(jìn)行試驗(yàn)，其余工藝參數(shù)仍然按正常極化操作規(guī)程進(jìn)行極化，在極化到15分鐘時(shí)就出現(xiàn)陶瓷體被多次擊穿，到極化完成后，發(fā)現(xiàn)有6粒陶瓷體有擊穿現(xiàn)象，其中有2粒出現(xiàn)粉碎，因此，最后測(cè)得結(jié)果如表3所示。

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

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

表3用1.8MΩ電阻極化結(jié)果（試驗(yàn)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(xiàn)象，造成陶瓷體的參數(shù)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(chǎn)。而從表1可知，阻值為2.0 MΩ時(shí)，其陶瓷體參數(shù)范圍為466×10-12～455×10-12C/N，參數(shù)范圍比較集中，對(duì)生產(chǎn)的控制比較有利。

現(xiàn)在我們又從另一個(gè)方向去進(jìn)行試驗(yàn)，將阻值換成2.5 MΩ再進(jìn)行極化試驗(yàn)，在樣品中抽取30粒進(jìn)行試驗(yàn)，其余工藝參數(shù)仍然按正常極化操作規(guī)程進(jìn)行極化，在極化到12 min時(shí)就出現(xiàn)電阻被燒壞，極化操作不能繼續(xù)下去。于是我們又將電阻阻值換成2.3 MΩ再進(jìn)行極化試驗(yàn)，再?gòu)臉悠分性俪槿?0粒進(jìn)行試驗(yàn)，其余工藝參數(shù)仍然按正常極化操作規(guī)程進(jìn)行極化，極化過程順利，在完成極化后測(cè)量其參數(shù)，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(shù)比用阻值為2.2 MΩ極化參數(shù)有所降低，進(jìn)一步證明電阻阻值大小，將會(huì)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(xué)原理，我們可知：在串聯(lián)電路中，串聯(lián)電路實(shí)際是分壓電路，根據(jù)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(dāng)電阻增大時(shí)，電阻中的兩端電壓增大，反之，當(dāng)電阻減少時(shí)，電阻中的兩端電壓變小。因此，同一道理，極化機(jī)的電阻與陶瓷體是在同一個(gè)電路上，電阻與陶瓷體（可以把陶瓷體看成是一個(gè)電阻）在電路上是串聯(lián)的，所以在總電流不變的情況下，當(dāng)電阻阻值增加時(shí)，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(shí)，使得電阻兩端的電壓超出電阻所能承受的電壓，就會(huì)造成電阻被燒壞；當(dāng)電阻阻值減少時(shí)，陶瓷體所受到的電壓增加，極化效果會(huì)較好，若電阻阻值過小時(shí)，會(huì)使作用在陶瓷體兩端面的電壓升高過大，當(dāng)超出陶瓷體所能承受的電壓時(shí)，就會(huì)造成陶瓷體被擊穿。因此，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中要根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)情況，選擇好極化電阻的阻值，將會(huì)使產(chǎn)品性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

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

5結(jié)論

我們通過以上四次的試驗(yàn)，清楚地了解到極化機(jī)電阻對(duì)壓電陶瓷體性能及生產(chǎn)的影響是非常直接的，現(xiàn)在我將本輪試驗(yàn)結(jié)果整理出來進(jìn)行對(duì)比：當(dāng)電阻阻值為2.0 MΩ時(shí)，陶瓷體的d33平均值為460.12×10-12C/N；當(dāng)電阻阻值為2.2 MΩ時(shí)，陶瓷體的d33平均值為369.4×10-12C/N；當(dāng)電阻阻值為1.8 MΩ時(shí)，陶瓷體的d33平均值為461.4×10-12C/N（單看參數(shù)雖然有所提高，但在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)擊穿，造成20%的陶瓷體成為廢品）；當(dāng)電阻阻值為2.3 MΩ時(shí)，陶瓷體的d33平均值為365.7×10-12C/N；當(dāng)電阻阻值為2.5 MΩ時(shí)，極化機(jī)的電阻出現(xiàn)燒壞，不能正常生產(chǎn)。

因此，我們要根據(jù)企業(yè)自身的實(shí)際情況，在生產(chǎn)前必須要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，找出適合本配方生產(chǎn)的電阻阻值，因?yàn)椴煌浞缴a(chǎn)的陶瓷體其所能承受的電壓是不同的，在改變生產(chǎn)配方的同時(shí)就要進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，找出適合該配方的電阻阻值來進(jìn)行生產(chǎn)，但不管是用什么配方生產(chǎn)的陶瓷體，它在極化過程都是遵循電學(xué)原理，在串聯(lián)電路中，串聯(lián)電阻阻值的變化，會(huì)直接影響作用在陶瓷體兩端面所受到的電壓，當(dāng)電阻阻值增大時(shí)，陶瓷體兩端面受到的電壓就會(huì)降低，而當(dāng)電阻阻值減小時(shí)陶瓷體兩端面受到的電壓就會(huì)升高，但當(dāng)陶瓷體兩端面電壓超出陶瓷體所能承受的電壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，所以，要使企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到最好水平，對(duì)極化機(jī)電阻阻值的選擇是非常重要的。

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