Способ поляризации пьезокерамических материалов Советский патент 1980 года по МПК H01L41/22 

(54) СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к производству пьезокерамических элементов и преимущественно может быть использовано для поляризации крупногабаритных заготовок сложной формы и заготовок с переменным межэлектродным расстоянием из пьезома териалов с температурой Кюри выше 45О С, а также из материалов с высоко проводимостью. Известен/способ поляризации пьезокерамических материалов, предполагающий переход из параэлектрической в сёгнетоэлектрическую фазу при одновременном приложении и поддержании оптимального значения тока fl. Однако этот способ непригоден для пол1физации материалов с высокой проводимостью и с температурой Кюри выше , так как эти материалы неравномерно разогреваются током, протекающим при поляризации. Поэтому режим поляризации по току задается более разогретым участкам пьезоэлемента. Известен также способ пол$физации пьезокерамики путем нагрева пьезоэлемента до температуры, превышающей температуру Кюри, с последующим охлажде нием его в электрическом поле. Причем образец сначала нагревают до 4ОО-5ОСГС, а затем охлаждают до температуры, превышающей тетлпературу Кюри не менее чем на , после чегА включают поля-. ризующее поле 2 кВсм 12 . Недостатки этого способа заключаются в том, что иьезок юмика с ростом темпер|атуры снижает электрическое сопротивление, и, хоти поляризующее поле относительно невелико, оно вызывает ток проводимости тем больший , чем меньше удельное сопротивление материала. Выделяемая при этом мощность на пьезоэлетленте вызывает дополнительный его разогрев что еще больше снижает электрическое сопротивление и при неизменном напряжении на нем Это приводит к увеличению выделяемой мощности на пьезоэлементе, что в свою очередь ведет к дальнейшему разогреву и развитию теплового пробоя или образованию токовы шнуров, которые резко ухудшают электро физзгческие свойства поляризуемого пьезоэлемента, например пьезомодуль Зц., диэлектрическую проницаемость 6 , тангенс угла диэлектрических потерь-tocf удельное сопротивление j и т.д. Кроме того, предварительный разогрев заготовки до 400-500 и его охлаждение без приложения электрического поля приводит к омолаживанию пьезоматериалов, что отрицательно сказывается на временной стабильности поляризованного состояния. Материалы, имеющие высокую удетпьную проводимость (ЦТСС-, ЦТС-23 т т.д.) в районе фазового перехода, не могут быть эффективно поляризованы этим способом. Материалы, имеющие высокую температуру Кюри (, и выше), не могут быть эффективно поляризованы этим способом вследствие недостаточности прогрева 50Cfc) ииспол э-уемого поляризующего напряжения 2 кВСм, а также в связи с высокой проводимостью материалов при этих температурах. Этим способом не могут быть эффективно поляризованы крупногабаритные заготовки и заготовки с переменным межэлектродным расстоянием. Цель изобретения - улучшение пьезоэлектрических параметров пьезоэлементов, расширение номешшатуры поляризую емых материалов, обеспечение возможности поляризации крупногабаритных заготовок и заготовок сложной формы с переменным f межэлектродным расстоянием. Поставленная цель достигается тем, что пьезокерамическую за1Ч товку нагревают до температуры превышающей температуру Кюри не менее . чем на , затем пропускают через нее постоянный электричес1сий ток плотностью О,1-10то. и охлаждают со скоростью не менее 5О /мин , причем одно временно уменьшают ток поляризации и увели 1ивают напряжение на заготовке так, чтобы максимум выделяемой мощности находился при температурах (О,70,95) Те, где Т, - температура Кюри материал а. На фиг. I представлена блок-схема s поляризационной установки; на фиг. 2 зависимость напряжения U поляризации от тока tJ поляризации; на фиг. 3 - за,Исимость поляризующего поля Ей мощности Р,выделяемой на поляризуемом пьезоэлементе, от температуры для двух режимов поляризации (кривые а и б) кольцевой заготовки из материала ЦТС-23, а также зависимость изменения коэрцетивной силы Е от температуры; на фиг. 4 и 5 - пьёзоэлементы в форме цилиндра и призмы соответственно, поляризованные п{эедложенным способом. Установка содержит нагревательную камеру I с помещенной в нее заготовкой в держателе, устройство 2, задающее вольтамперную характеристику поляризуемой заготовки, источник 3 постоянного высокого напряжения. Пьёзоэлементы (фиг. 4 и 5) имеют следующие геометрические размеры: D е 18 мм, MMjK - 2мм, Ь S 22 мм, г.4 мм, h iirYMM, К - QO мм, Способ поляризации осуществляют следующим образом. Заготовку, изготовленную по керамической технологии, закрепляют в держатель и нагревают до температур, превышающих Т,., не менее, чем на . По, гоковедущим частям держателя через заготовку пропускают постоянный электрический ток плотностью 0,l-lOmoi-civr в зависимости от материала заготов1ш, до 5Озатем охлаждают ее вне печи 6О С со скоростью не менее 50 Скорость охлаждения ограничена снизу возможностью развития теплового про- боя, а сверху - механической прочностью материала (тсонкретной для каждого типоразмера). Одновременно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке так, чтобы максимум выделяемой мощности находился при температурах (0,7-0,95) Т с . Рассмотрим поляризацию кольцевой заготовки из материала ЦТС-23, имеющую следующие геометрические размеры: Ъ-20ми. , h и 2мм. Заготовку нагревают, до 500 С и пропускают через нее ток плотностью 3,7Vnoi-cM, В процессе охлаждения устройство 2 уменьшает ток поляризации и одновременно увеличивает напряжение на поляризуемой заготовке. Зависимость напряжения поляризации от тока поляризации и напряженности поляризующего поля от температуры (фиг. 2 и з) фиксируются самописцем. По полученным данным определяют зависимость мощности, выделяемой на пьезоэлементе от температуры поляризации (фиг. 3). На основании этой , зависимости устройство 2 настраивается таким образом, чтобы максимум выделяемой мощности на поляризуемом

пьезоэлементе находился в пределах (0,7-0,95) ТА , что обеспечивает оптимальность пьезоэлектрических параметров пьезоэлемента. Из зависимости коэрцитивной силы и поляризующего поля от температуры (фиг. З) видно, что нагрев пьезоэлемента до температуры, превышающей температуру Кюри не менее чем на 7СГС (кривая б), является достаточным для увеличения, напряженности поляризующего поля на пьезозаготчэвке в про. межутке температур (0,7-0,95)Tg по

сравнению с ветгчиной коэрцитивной силы материала. При этом максимум выделяемой мощности на пьезоэлементе также находитря в утсазанном промежутке томператур. В отличие от вышесказанного, прогрев заготовки до 35О С и подача поляризующего поля (кривая а) при этой температуре не дает желаемого результата, так как величина напряженности

поляризующего поля остается ниже коэрщггивной силы, что приводит к уменьшению пьезочувствительности (см. табл.1).

Таблица

23

35О

3,7 20

50O

3,7

В табл. I и 2 приведены различные режимы поляризации и соответствующие

0,02-2000

3,0

O,02-2OOO

7,5

им значения пьезомодуля (d j-j ) для заготовки из высокотемпературных материалов.

Таблица 2 Табл. 3 и и результаты 778823О8 4 иллюстрируют, режимывысокой и низкой проводимостью соотполяризации материалов светственно. Таблица 3 9 Данные по режимам и результатам поляризации пьезоэлементов, имеющих

2-4 0,01-2000

500-50

ЦТС-23 Из таблиц 2-5 видно, что диапазон значения плотности тока {0,1-10гла-см ) выбран с целью поляризации широкого круга пьезоматериалов, имеющих различную проводимость при температурах, превышающих Tj, на 70°С. Сверху выбранный, диапазон ограничен тепловой прочностью в результате электрического старения.. Таким образом, предлагаемый способ позволяет поляризовать образцы практически из любых пьезоматериалов, а также крупногабаритные изделия и изделия сложной формы с переменным межэлектродным расстоянием. При этом улучшают ся пьезоэлектрические параметры поляризуемых элементов. Преимущество предлагаемого способ состоит также в том, что не требуется применения мощных высоковольтных установок напряжением 70-100 кВ, достаточно ограничится источником в ЮкВ Возможно смещение процесса поляризаци и вжигания металлических электродов. , формула изобретение Способ поляризации пьезокерамически материалов путем нагрева пьезоэлёмента до температуры, превышающей темпера0,46 , Оптимальный режим 78823010 сложную форму (см. фиг, 4 и 5) приведены в табл. 5. ТаблицаЗ туру Кюри, с последующим охлаждением его в электрическом поле, отличающийся тем, что, с целью улучшения пьезоэлектрических параметров, расширения номенклатуры пол$1ризуемых материалов, и обеспечения возможности поляризации крупногабаритных заготовок и заготовок сложной формы с переменным межэлектродным расстоянием, пьезокерамическую заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру Кюри не менее чем на , затем пропускают через нее посто5ганый электрический ток плотностью 0,1-10 та- см и охлаждают со скоростью не менее 5О ./ мин, причем одновременно уменьшают ток поляризации и увеличивают напряжение на заготовке так, что максимум выделяетлой мощности на пьезозаготовке находился при температурах (0,7-0,95)Т, где TQ - температура Кюри пьезоматериала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 274171, кл. 29-25,35, опублик. 1953. 2.Авторское свидетельство; СССР № 182428, кл. В 06 В 1/О6, 1966 (прототип).