无铅压电陶瓷研究分析.docVIP

第1章 绪论 1.1 无铅压电陶瓷的研究意义 压电陶瓷可以直接实现电能和机械能的转换。因而被广泛应用在超声换能、无损探伤、传感器、电子信息等高新技术领域，产品涉及汽车、电子、军事、医疗等各个行业[1]。压电技术的发展对科技的进步，人民生活水平的提高均有重要的意义。　目前，市场上使用最多的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系压电陶瓷材料。PZT系压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过参杂改性来满足不同的性能要求，因而广受欢迎。但这些陶瓷中PbO的含量超过60%[2]，而 PbO是一种易挥发的有毒物质，其被人体吸收后会在人体内集聚，引起铅中毒，使人的神经系统受到损伤，严重的可能导致脑瘫和肾功能衰竭。[3]此外，铅基陶瓷在生产、使用过程中以及废弃后的处理过程中都会对环境产生严重危害，并且通过水和食物链进行扩散[4]。 近年来随着人们环保意识的增强，人们越来越意识到铅的危害。为了人民的身体健康，许多国家已立法禁止使用含铅电子材料。如欧盟规定到2006年7月1日，所以新生产的电子材料都不能含铅[5]。但在压电陶瓷方面，铅基陶瓷还无法被取代，故只能把含铅压电陶瓷列在禁止名单之外。但开发无铅压电陶瓷仍是大趋势。在国际政策和经济利益以及科学探索精神的共同驱使下，这几年无铅压电陶瓷的研究很热，国内外专家学者都做了大量的探索，并取得了不少进步。 1.2 无铅压电陶瓷分类及研究现状 现在在研究的无铅压电陶瓷主要分钙钛矿结构材料和非钙钛矿结构材料。非钙钛矿结构材料有铋层状结构材料和钨青铜结构材料。 1.2.1 铋层状结构材料 铋层状结构铁电体是由二维的钙钛矿层和(Bi2O2)2+层有规则地相负交替排列而成,,化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,此处,A为Bi3+、Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适合于12配位的+1、+2、+3、+4价离子或由它们组成的复合离子,B为Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+、Mo6+、Co3+、Cr3+、Zr4+等适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子,m为一整数,对应于钙钛矿层厚度方向的原胞数[6].铋层状结构无铅压电陶瓷具有居里温度高, 其中Bi3NbTiO9作为这些材料中居里温度最高的一种，Tc达到914℃，另外它还有介电击穿强度大,介电损耗低,性能各向异性大以及温度、应力性能稳定等特征.所以,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.但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场EC高., 现有报道的这类材料的d33最高值才25pC/N[7].且介电温度也很低。表1列出了典型的铋层状结构无铅压电陶瓷的压电性能.[20] 表1 铋层状结构无铅压电陶瓷压电性能性能[20] 体系 工艺 Tc/℃ d33(pC/N) εr Sr0.9Nd0.1Bi2Nb2O9 OF 390 14(d31) 165 Sr0.9Nd0.1Bi2Nb2O9 TGG 390 32(d31) 160 Bi4Ti2.96Nb0.04O12 OF 20 Bi4Ti2.96Nb0.04O12 TGG 30 CaBi2Nb2O9 OF 943 8 CaBi2Nb2O9 SPS 943 20 Sr2(1-x)Ca2xBi4Ti5O18 OF 26 Sr2(1-x)Ca2xBi4Ti5O18 HF 51 [(Na0.5K0.5)Bi]0.44(LiCe)0.03Bi2Nb2O9 OF 670 28 Ca0.95La0.05Bi2Nb2O9 OF 911 12.8 (Na0.5K0.5)0.94Li0.04Bi4.5Ti4O15 OF 620 28 Ca0.9(KCe)0.05Bi2Nb2O9 OF 868 16 　　注　OF:常规烧结;HF:热煅; TGG:模板晶粒生长; SPS:放电等离子体烧结 1.2.2 钨青铜结构材料 钨青铜结构化合物是仅次于钙钛矿型的第二大类铁电体.此类化合物因具有类似四角钨青铜KxWO3和NaxWO3的结构而得名.这一结构的基本特征是存在着[BO6]式氧八面体,其中B以Nb5+、Ta5+为主.这些氧八面体以顶角相连构成骨架,从而堆积成钨青铜结构.现在,无铅的钨青铜结构铌酸盐压电陶瓷报道较少,但还是有一些有用的成果,比如近年来,一些钨青铜无铅压电铁电陶瓷,如KBa2Nb5O15[21]等已能通过传统陶瓷工艺获得了致密的陶瓷体,并展现出独特的介电压电铁电性质.尤其是钨青铜结构的铁电单晶K0.95Li0.05Ta0.61Nb0.39O3具有高达431 pC/N的压电常数(d33)[22],这可能说明了钨青铜结构铁电体作为无压电陶瓷的候选材料还是有潜力的. 1.2.