无铅压电陶瓷的研究进展.docVIP

无铅压电陶瓷 无铅压电陶瓷 某些各向异性的晶体，在外力作用下产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压电效应。某些介质在受到机械压力时会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应；反之，施加激励电场，介质产生机械变形，称为逆压电效应；晶体的这种性质称为压电性。具有压电效应的材料称为压电材料。无铅压电陶瓷就是不含铅的压电陶瓷。 传统压电陶瓷主要是以含铅的锆钛酸铅( PZT ) 系材料为主，其主要成分是氧化铅( 60~ 70% 以上) 。氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境造成损害。PbO 的挥发也会造成陶瓷中的化学计量比的偏离，使产品的一致性和重复性降低，需要密封烧结，使成本提高。 因此，研究开发高性能的无铅压电陶瓷具有非常重要的科学意义和紧迫的市场需求，也逐渐成为研究的热点。 关键词：无铅压电陶瓷，钛酸钡基，钛酸铋钠基，铋层状结构，碱金属铋酸盐，钨青铜结构 正文： 压电陶瓷是重要的高科技功能材料，它被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等领域。但是，由于目前使用的压电陶瓷大多都是含铅的，其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%左右。Pb0有毒，在烧结温度下易挥发，不仅危害人体，而且会使其化学计量式偏离其计算配方，进而使产品一致性和重复性降低, 导致陶瓷性能下降。因此，无铅基压电陶瓷将显示其良好的环境友好性而被越来越多的研究和应用。 到目前为止，无铅压电陶瓷体系主要有五大类：①钛酸钡基无铅压电陶瓷; ②钛酸铋钠基无铅压电陶瓷; ③铋层状结构无铅压电陶瓷; ④碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷; ⑤钨青铜结构无铅压电陶瓷。由于各类材料的结构和功能各不相同，下面将分别予以介绍。 钛酸钡基无铅压电陶瓷 钛酸钡基无铅压电陶瓷是最早发现的无铅压电材料，对它的研究已相当成熟，最初用于压电振子材料。其居里温度较低, 工作温度范围较窄, 压电性能属于中等水平, 难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能,且在室温附近存在相变, 所以其在压电方面的应用受到限制。 实验常采用传统的固相反应工艺制备了锆钛酸钡样品,研究了其压电介电物性随晶粒尺寸的变化关系锆钛酸钡陶瓷的介电常数约为20000,压电常数为320pc/N这些结果表明可以通过控制晶粒尺寸来获得较大的介电压电活性。通过比较介电常数和压电常数随晶粒尺寸的变化关系,我们发现锆钛酸钡陶瓷的强压电活性和高介电活性有着共同的起源。但X射线分析的结果表明精细晶粒锆钛酸钡陶瓷中晶格结构的变化不能解释强压电介电活性的起源,锆钛酸钡的高介电压电活性主要来自于非本征的贡献。 随着社会可持续发展进程的加快和人类环保意识的提高，材料的无铅化发展已是必然趋势。无铅压电陶瓷的开发和研究确已取得了长足进步，并可望在多发面获得实际应用。要进一部提高无亲压电陶瓷体系的性能，扩展无铅压电陶瓷器件的应用范围，还需进一步优化其参数特性，提高性能，使无铅压电陶瓷多样化， 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷 钛酸铋钠(BNT)是1960年由前苏联的G. A. Smolensky等发明的具有钙钛矿型铁电体,通式为A0.5 A′0.5Ti,室温下为三方铁电相,具有大的剩余极化强度(Pr = 38μC/cm2 )、厚度及纵向机电耦合系数大、介电常数小及声学性能好等良好特征,且烧结温度低(～1 200 ℃)。 BNT无铅压电陶瓷被认为是极具吸引力的无铅铁电压电陶瓷体系之一。为了使BNT无铅压电陶瓷更具实用性，各国材料学者对其进行了多方面的深入研究：①BNT基二元系无铅压电陶瓷；②BNT基三元系无铅压电陶瓷；③BNT基无铅压电陶瓷的A位和/或B位取代改性；④稀土元素和氧化物掺杂改性；⑤相变及压电铁电性能的温度特性。 铋层状结构无铅压电陶瓷 铋层状结构是由二维的钙钛矿和(Bi2O2)2+ 层有规则地相互交替排列而成。它的通式为: (Bi2O2)2+(Ax-1BxO3x+1) 2-, 此处A 为适合于12 配位的1、2、3、4 价离子或它们的复合,B 为适合于八面体配位的离子或它们的复合, x 为整数,称为层数, 即钙钛矿的层数，通常x的取值为1～5。铋层状结构无铅压电陶瓷具有低介电常数、高居里温度、压电性各向异性明显、高绝缘强度、高电阻率、低老化率。因此,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景。由于这类陶瓷材料压电活性低、极化场强高，科学工作者通过掺杂改性和工艺改进控制陶瓷的晶粒取向，使得晶粒定向后的陶瓷在电学特性上有了极大的改善。表8列出了典型的铋层状结构无铅压电陶瓷的压电性能。 通过模板晶粒生长、热锻、放电等离子体烧结等工艺,能够使Bi层状陶瓷晶粒定向排列,从而大幅度地改善