[发明专利]具有压电系数d36的压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，特别涉及一种在压电陶瓷中产生压电系数d₃₆的方法及由此制备得到的压电陶瓷。

背景技术

压电材料由于具有优良的力电耦合性质，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d₃₁(或d₃₂)模式的应用也层出不穷，例如基于d₃₁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d₁₅厚度剪切模式能够激发出SH波，但由于d₁₅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，从而难以获得较强的SH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d₃₆模式。由于d₃₆的工作电压和极化方向平行，可以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，d₃₆是最具实用价值的剪切模式。然而，近十年来，d₃₆模式并没有引起工业界较大的兴趣。最主要的原因是d₃₆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d₃₆模式。单晶的制备成本高、难以大块成型且力学性质较差，严重制约了d₃₆模式的工业应用。因此，如果能在压电陶瓷中实现d₃₆模式，将有望推动d₃₆模式的工业应用。

发明内容

本发明针对压电单晶d₃₆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d₃₆的方法，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。

本发明的技术方案为：

一种压电陶瓷，具有压电系数d₃₆，即沿着与极化方向平行的方向施加电场E₃，材料会在与极化方向垂直的面内产生剪切应变S₆，亦或对与极化方向垂直的面施加剪切应力T₆，材料会在与极化方向垂直的电极面产生电位移D₃。

本发明的压电陶瓷是通过下述方法制备得到的：

1)将极化好的压电陶瓷材料切成a×b×c的长方体，其中棱边c为极化方向，b×c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；

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b×c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割，根据IEEE的标准，切割方式可以表示为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d₃₆的压电陶瓷。

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d₃₆，即沿着与极化方向平行的方向施加电场E₃，材料会在与极化方向垂直的面内产生剪切应变S₆，亦或对与极化方向垂直的面施加剪切应力T₆，材料会在与极化方向垂直的电极面产生电位移D₃。根据实际应用的需要，可以沿垂直于极化方向的面将材料切成薄片。

优选的，上述制备方法中，步骤1)所述极化好的压电陶瓷可以是PZT-5A、PZT-5H、PZT-8等软性压电陶瓷，亦可以是其它铁电型的压电陶瓷。