的压电陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能材料技术领域，特别设及一种在压电陶瓷中产生压电系数dse的 方法及由此制备得到的压电陶瓷。
【背景技术】
[0002] 压电材料由于具有优良的力电禪合性质，因而被广泛的应用于制备各类制动器、 传感器和换能器。压电材料的d33模式是目前使用最为广泛的压电模式，市场上的各类压电 器件大多都是基于d33模式。各类基于d3i(或d32)模式的应用也层出不穷，例如基于dsi模 式的能量回收器件。不论是d33还是d31模式，材料发生的都是伸缩变形。在某些特殊的领 域，人们往往希望能够产生剪切变形。例如在结构健康监测领域，不论是纵波、Lamb波还是 弯曲波都很容易在传播过程中产生弥散，导致频散关系较为复杂，给缺陷探测带了较大的 困难。一个可行的办法是利用没有弥散的SH波。虽然人们基于di5厚度剪切模式能够激发 出SH波，但由于di5模式的工作电压和极化方向垂直，无法使用较高的电压激励，从而难W 获得较强的甜波。2005年，美国伊利诺伊州H.C.材料公司的研究人员在PMN-PT单晶中实 现了面内剪切dse模式。由于cUe的工作电压和极化方向平行，可化施加较大的电压来获得 较大的剪切变形。因此，与压电其它剪切模式相比，dse是最具实用价值的剪切模式。然而， 近十年来，dse模式并没有引起工业界较大的兴趣。最主要的原因是cUe模式只能在极少特 殊切型的单晶中实现，陶瓷由于其对称性的限制无法产生dse模式。单晶的制备成本高、难 W大块成型且力学性质较差，严重制约了dse模式的工业应用。因此，如果能在压电陶瓷中 实现dse模式，将有望推动d36模式的工业应用。
【发明内容】
[000引本发明针对压电单晶dse模式应用面临的困难，提供了一种在压电陶瓷中产生压 电系数cy勺方法，并由此获得具有压电系数d36的压电陶瓷，有望推动d36模式的科学研究 和工业应用。
[0004] 本发明的技术方案为；
[0005] 一种压电陶瓷，具有压电系数dse，即沿着与极化方向平行的方向施加电场Es，材 料会在与极化方向垂直的面内产生剪切应变Se，亦或对与极化方向垂直的面施加剪切应力 Te，材料会在与极化方向垂直的电极面产生电位移。
[0006] 本发明的压电陶瓷是通过下述方法制备得到的：
[0007] 1)将极化好的压电陶瓷材料切成aXbXc的长方体，其中棱边C为极化方向，bXc 面为压缩面，本发明推荐各边的比例为a:b:c= 1:1:1，但任何能保证材料受力均匀且不发 生压缩失稳的其它边长比例亦可；
[000引 2)对步骤1)得到的长方体压电陶瓷进行均匀压缩，压缩应力T垂直施加在两个相 对的bXc面上，从零开始准静态地加载到压电陶瓷矫顽应力的2~4倍，保持20~60小 时，再缓慢卸载到零，然后将压缩后的压电陶瓷在室温下老化2~3天；
[0009] 3)将步骤2)压缩好的压电陶瓷进行切割，根据IE邸的标准，切割方式可w表示为 zxt±45°，其中Z为压电陶瓷的厚度方向，即极化方向，X为棱边a的方向，t为旋转轴，旋 转轴与极化方向平行，从而获得在其自身坐标系下具有压电系数dse的压电陶瓷。
[0010] 根据上述方法切割后获得的压电陶瓷在其自身的坐标系下具有压电系数dse，即沿 着与极化方向平行的方向施加电场Es，材料会在与极化方向垂直的面内产生剪切应变或， 亦或对与极化方向垂直的面施加剪切应力Te，材料会在与极化方向垂直的电极面产生电位 移〇3。根据实际应用的需要，可W沿垂直于极化方向的面将材料切成薄片。
[0011] 优选的，上述制备方法中，步骤1)所述极化好的压电陶瓷可W是PZT-5A、PZT-5H、 PZT-8等软性压电陶瓷，亦可W是其它铁电型的压电陶瓷。
[0012] 上述步骤2)压缩应力T从零开始准静态地加载到压电陶瓷矫顽应力的2~4 倍，加载速率一般是0. 1~2MPa/s，保持24小时左右后，再缓慢卸载到零，卸载速率一般是 0. 1 ~2MPa/s。
[0013] 上述方法之所W制备出具有压电系数dse的压电陶瓷，其原理如下：
[0014] 在步骤1)，极化好的aXbXC的长方体压电陶瓷具有等效的-m对称性，其压电系 数矩阵为：
[0015]
【主权项】
1. 一种压电陶瓷，具有压电系数d 36，即沿着与极化方向平行的方向施加电场E3，该压 电陶瓷会在与极化方向垂直的面内产生剪切应变S 6;或者，对与极化方向垂直的面施加剪 切应力T6，该压电陶瓷会在与极化方向垂直的电极面产生电位移D 3。
2. 权利要求1所述压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤： 1) 将极化好的压电陶瓷材料切成aXbXc的长方体，其中棱边c为极化方向，bXc面 为压缩面； 2) 对步骤1)得到的长方体压电陶瓷进行均匀压缩，压缩应力T垂直施加在两个相对的 bXc面上，从零开始准静态地加载到压电陶瓷矫顽应力的2~4倍，保持20~60小时，再 缓慢卸载到零，然后将压缩后的压电陶瓷在室温下老化2~3天； 3) 将步骤2)压缩好的压电陶瓷进行切害U，根据IEEE的标准，切割方式表示为 zxt ±45°，其中z为压电陶瓷的厚度方向，即极化方向，X为棱边a的方向，t为旋转轴，旋 转轴与极化方向平行，从而获得在其自身坐标系下具有压电系数d 36的压电陶瓷。
3. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述长方体的各边长度为 a:b:c = 1:1:1〇
4. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述极化好的压电陶瓷是软性 压电陶瓷或其它铁电型压电陶瓷。
5. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述极化好的压电陶瓷是 PZT-5A、PZT-5H 或 PZT-8 压电陶瓷。
6. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)压缩应力T的加载速率和 卸载速率是〇. 1~2MPa/s。
【专利摘要】本发明公开了一种具有压电系数d36的压电陶瓷及其制备方法。对极化好的长方体压电陶瓷进行均匀压缩，压缩应力垂直施加在与极化方向平行的两个相对面上，并在室温下老化2～3天，然后进行zxt±45°方式的切割，得到在其自身坐标系下具有压电系数d36的压电陶瓷，即沿着与极化方向平行的方向施加电场E3，该压电陶瓷会在与极化方向垂直的面内产生剪切应变S6；或者，对与极化方向垂直的面施加剪切应力T6，该压电陶瓷会在与极化方向垂直的电极面产生电位移D3。本发明有望推动d36模式的科学研究和工业应用。
【IPC分类】H01L41-338, H01L41-333, C04B35-491, H01L41-187
【公开号】CN104810472
【申请号】CN201510169643
【发明人】李法新, 苗鸿臣
【申请人】北京大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月10日