极化机内装电阻对压电陶瓷性能的影响

廖远锦

（佛山市金甲环保科技有限公司，佛山528000）

Research&Discussion研究与探讨

极化机内装电阻对压电陶瓷性能的影响

廖远锦

（佛山市金甲环保科技有限公司，佛山528000）

生产压电陶瓷的关键工序是极化工序，陶瓷体经过极化后，才有压电效应。本次试验是为了深入了解极化机电阻阻值大小对压电陶瓷体参数的影响。我们通过多次的试验，掌握了当电阻阻值大时，极化后陶瓷体参数就降低；当电阻阻值小时，极化后陶瓷体参数反而升高；电阻阻值过大，会烧坏电阻；电阻阻值过小，陶瓷体又会被击穿。

压电陶瓷；极化

1 简述生产过程

压电陶瓷是一种功能性陶瓷，它跟普通陶瓷在使用方面有着很大的区别。压电陶瓷的生产与一般陶瓷的生产在烧成陶瓷之前，其生产工艺没有很大的区别，同样要经过：配料→球磨→造粒→成型→烧成。

普通陶瓷在完成烧成工序后，便成为一件产品，而压电陶瓷在完成烧成工序后，它还只是一件半成品，还需要经过：磨端面→涂银→烧银→极化→装配等工序才能成为一件产品，在后面5个工序中决定压电陶瓷体性能的最关键工序就是“极化”工序。

2极化对陶瓷体内电畴的取向

当压电陶瓷体在烧成后其体内的电畴排列是无序的指向各个方向，如图1所示（箭头所指方向为电畴方向），而“极化”工序就是对陶瓷体施加外电压，形成电磁场，使陶瓷体内的电畴排列，从无序到定向排列，如图2所示。陶瓷体经极化后便具有极性，从而使陶瓷体在施加外力的作用下电畴产生转向，如图3所示，在转向过程中它释放能量，使陶瓷体两端面产生正电荷和负电荷，电荷经过导线传到放电针而产生放电现象。当撤消外力作用时，陶瓷体内的电畴就会回复原状，等待下一轮外力作用。

图1 无序电畴排列

图2 定向电畴排列

图3 电畴转向排列

因此，陶瓷体在极化过程中，它的电畴取向程度将会直接影响陶瓷体的性能质量，而电畴取向又取决于陶瓷体两端面所受到电压大小的影响，所以极化机的极化性能是至关重要。下面简单介绍极化机的工作原理如图4所示。

图4 极化机的工作原理图

从图4中我们以看到，压电陶瓷体与电阻是形成一个串联电路，当A-B两端输出电压后，根据电学的串联电路原理，电阻阻值的改变将会影响到施加在压电陶瓷体两端的电压，使极化的电磁场也随之改变，所以生产出的产品质量也受到影响。

3极化电阻大小对陶瓷体参数的影响

下面我们从生产车间取一批号为TCT-000803的压电陶瓷体做电阻阻值对陶瓷体极化效果的对比试验：（注：在以下一系列的试验中，都是用批号为TCT-000803的陶瓷体作为样品，下面简称样品）。

在样品中抽取30粒陶瓷体，放入极化盘中，然后在极化机安装阻值为2.0 MΩ的电阻，其余工艺参数按正常极化操作规程进行极化，极化完成后测量其参数，得出如下表1所示。

为了了解极化机电阻阻值对陶瓷体参数的影响，我们在样品中再抽取30粒陶瓷体放入极化盘中，将极化机的电阻更换为阻值为2.2 MΩ的电阻，其余工艺参数按正常极化操作规程进行极化，极化完成后测量其参数，得出如下表2所示。

从这两次的试验结果，可以看到极化机电阻对陶瓷体参数有很大的影响，当阻值为2.0 MΩ时，极化后d33平均值为460.12×10-12C/N，而当阻值为2.2 MΩ时，极化后d33平均值为369.4×10-12C/N。

根据两次试验结果，证明电阻阻值的大小对压电陶瓷体的参数是有着直接的关系，于是我们对电阻阻值范围作进一步的扩大，首先将阻值换成1.8 MΩ再进行极化试验，在样品中再抽取30粒进行试验，其余工艺参数仍然按正常极化操作规程进行极化，在极化到15分钟时就出现陶瓷体被多次击穿，到极化完成后，发现有6粒陶瓷体有击穿现象，其中有2粒出现粉碎，因此，最后测得结果如表3所示。

表1用2.0 MΩ电阻极化结果（试验d33平均值为460.12×10-12C/N）

表2用2.2 MΩ电阻极化结果（试验d33平均值为369.4×10-12C/N）

表3用1.8MΩ电阻极化结果（试验d33平均值为461.4×10-12C/N）

将阻值换成1.8 MΩ后，d33的平均值只有轻微的提高，但陶瓷体却有被击穿现象，造成陶瓷体的参数范围增大从451×10-12～470×10-12C/N，并且有6粒被击穿（4粒断裂，2粒粉碎），成为废品，不利于正常生产。而从表1可知，阻值为2.0 MΩ时，其陶瓷体参数范围为466×10-12～455×10-12C/N，参数范围比较集中，对生产的控制比较有利。

现在我们又从另一个方向去进行试验，将阻值换成2.5 MΩ再进行极化试验，在样品中抽取30粒进行试验，其余工艺参数仍然按正常极化操作规程进行极化，在极化到12 min时就出现电阻被烧坏，极化操作不能继续下去。于是我们又将电阻阻值换成2.3 MΩ再进行极化试验，再从样品中再抽取30粒进行试验，其余工艺参数仍然按正常极化操作规程进行极化，极化过程顺利，在完成极化后测量其参数，得出如下表4所示。

将电阻阻值换成2.3MΩ后，陶瓷体极化参数比用阻值为2.2 MΩ极化参数有所降低，进一步证明电阻阻值大小，将会直接影响压电陶瓷体的极化效果。

4影响原因分析

通过电学原理，我们可知：在串联电路中，串联电路实际是分压电路，根据公式：U=IR（U为电压；I为电流；R为电阻），在总电流不变的情况下，当电阻增大时，电阻中的两端电压增大，反之，当电阻减少时，电阻中的两端电压变小。因此，同一道理，极化机的电阻与陶瓷体是在同一个电路上，电阻与陶瓷体（可以把陶瓷体看成是一个电阻）在电路上是串联的，所以在总电流不变的情况下，当电阻阻值增加时，陶瓷体的阻值却没有改变，分压到电阻两端的电压变大，而作用在陶瓷体两端的电压变小，造成陶瓷体极化效果差，若电阻阻值过大时，使得电阻两端的电压超出电阻所能承受的电压，就会造成电阻被烧坏；当电阻阻值减少时，陶瓷体所受到的电压增加，极化效果会较好，若电阻阻值过小时，会使作用在陶瓷体两端面的电压升高过大，当超出陶瓷体所能承受的电压时，就会造成陶瓷体被击穿。因此，我们在实际生产中要根据企业生产情况，选择好极化电阻的阻值，将会使产品性能发挥到最佳状态。

表4用2.3 MΩ电阻极化结果（该次试验d33平均值为365.7×10-12C/N）

5结论

我们通过以上四次的试验，清楚地了解到极化机电阻对压电陶瓷体性能及生产的影响是非常直接的，现在我将本轮试验结果整理出来进行对比：当电阻阻值为2.0 MΩ时，陶瓷体的d33平均值为460.12×10-12C/N；当电阻阻值为2.2 MΩ时，陶瓷体的d33平均值为369.4×10-12C/N；当电阻阻值为1.8 MΩ时，陶瓷体的d33平均值为461.4×10-12C/N（单看参数虽然有所提高，但在生产过程中出现击穿，造成20%的陶瓷体成为废品）；当电阻阻值为2.3 MΩ时，陶瓷体的d33平均值为365.7×10-12C/N；当电阻阻值为2.5 MΩ时，极化机的电阻出现烧坏，不能正常生产。

因此，我们要根据企业自身的实际情况，在生产前必须要进行反复试验，找出适合本配方生产的电阻阻值，因为不同配方生产的陶瓷体其所能承受的电压是不同的，在改变生产配方的同时就要进行生产试验，找出适合该配方的电阻阻值来进行生产，但不管是用什么配方生产的陶瓷体，它在极化过程都是遵循电学原理，在串联电路中，串联电阻阻值的变化，会直接影响作用在陶瓷体两端面所受到的电压，当电阻阻值增大时，陶瓷体两端面受到的电压就会降低，而当电阻阻值减小时陶瓷体两端面受到的电压就会升高，但当陶瓷体两端面电压超出陶瓷体所能承受的电压时，就会出现击穿现象，使生产不能正常进行，所以，要使企业产品的质量达到最好水平，对极化机电阻阻值的选择是非常重要的。

[1]李沃,黎锦华.开发高质量的压电陶瓷点火器[J].陶瓷,1990(5):50-52.