[发明专利]获得单畴弛豫铁电单晶的极化方法

说明书

技术领域

本发明属于压电材料的处理技术领域，涉及一套获得单畴弛豫铁电单晶的极化方法。

背景技术

弛豫铁电单晶泛指具有铌镁酸铅—钛酸铅(PMN—PT)、铌锌酸铅—钛酸铅(PZN—PT)、铌铟酸铅—钛酸铅(PIN—PT)、铌铟酸铅—铌镁酸铅—钛酸铅(PIN—PMN—PT)及其掺杂改性一类晶体材料。自上世纪90年代至今，弛豫铁电单晶作为一种新型高性能压电晶体已被广泛研究及应用。弛豫铁电单晶，如PZN-PT、PMN-PT，沿[001]方向纵向压电常数高达2000pC/N，机电耦合系数高达90%，同时相比于传统软性陶瓷，其还具有诸如损耗低、应变滞后小等优点。迄今在医用B超、水声换能器等领域，弛豫铁电单晶已被公认为是制作下一代高性能压电器件的首选材料。

目前，本领域对弛豫铁电单晶的纵向压电性能的研究相对比较成熟，如d₃₃、k₃₃、d₃₁、k₃₁。通常这些纵向参数的优值表现在偏离晶体极轴的空间方向，[001]极化的三方相(极轴为[111])弛豫铁电单晶。因此，为获得优异的纵向压电性能，弛豫铁电单晶在极化后通常处于多畴状态。

另一方面，弛豫铁电单晶的另一项优异性能——剪切压电性能业已受到了国内外的广泛关注。相比于其纵向压电性能，弛豫铁电单晶剪切压电性能更为优异，压电常数d₁₅通常大于3000pC/N，且通过组分的调整，可达7000pC/N，是纵向压电性能的3倍左右。剪切机电耦合系数k₁₅可达95%，弹性柔顺系数S₅₅^E可达300pm²/N，是纵向参数S₅₅^E的2倍左右。综上所述，相比于纵向压电性能，剪切压电性能在各相指标中都有着一定优势，因此在换能器等器件的设计制作中被广泛关注。

与纵向压电性不同，弛豫铁电单晶剪切压电性能的最优值方向与其极轴方向平行。对于三方相弛豫铁电单晶而言，若要获得优异的剪切压电性能，晶体必须沿其极轴方向[111]极化。而对于正交相和四方相晶体而言，为获得高剪切压电性能，晶体分别须沿[011]和[001]方向极化。因此，高性能剪切压电晶体在极化后通常处于单(电)畴状态。

但相比于多畴晶体，单畴晶体中存在的最大问题就是极化较为困难，样品在极化过程中易出现开裂现象，因而在很大程度上影响到单畴弛豫铁电单晶的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一套在工业中可行的获得单畴弛豫铁电单晶的极化方法，该方法保证了弛豫铁电单晶的高度单畴化，并且在极化后无晶体开裂现象，为单畴弛豫铁电单晶的应用起到了推进作用。

根据本发明设计者针对高性能剪切压电晶体在极化方面所做的研究分析，单畴晶体在极化过程中开裂的原因主要是由于电场诱导并伴随高应变产生的畴转现象所致。以四方相晶体为例，其在未极化时晶体内部通常会出现6种不同方向的电畴，分别沿[001]、[010]、[100]、[-100]、[0-10]、[00-1]。当沿非极轴[111]方向极化后，只有三种不同电畴存在，即沿[001]、[010]和[100]方向电畴。此时，沿[-100]、[0-10]和[00-1]方向电畴在电场作用下转变为[001]、[010]和[100]方向电畴。由于这6种不同畴的自发应变在[111]方向上的分量相同，因此极化过程中产生应变较小。当晶体沿极轴[001]方向极化时，只有一种电畴会在晶体中存在，即沿[001]方向电畴。此时，沿[010]、[100]、[-100]和[0-10]方向电畴需要通过畴运动而转化为[001]方向电畴，该转化过程的同时会带来相当大的应变。对于三方相晶体来说，由于[001]方向为非极轴方向(8种不同电畴沿该方向应变投影相等)，其在矫顽场处应变较小；而对于四方相晶体而言，如上面所论述，其在矫顽场处应变非常大。通过以上分析可以看出，为得到单畴晶体，晶体通常需要沿极轴方向极化，此时通常伴随有非常高的应变。而对于沿一些非极轴方向，由于各电畴自发应变在该方向分量相等，因此畴转所带来的应变较小。综上所述，单畴晶体在极化过程中开裂的原因主要是：电场诱导并伴随高应变产生的畴转现象所致。