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碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷性能及应用
Alkali Metals Niobate Lead-free Piezoelectric Ceramics
目录
1. 无铅压电陶瓷简介
压电效应(压电性):某些介质在应力的作用下,发生电极化或电极化的变化,导致晶体表面出现束缚电荷变化的现象
逆压电效应:在压电体的适当方向施加外电场会导致压电体发生形变的现象
1.1 压电效应及其形成原因
电能
机械能
正压电效应
逆压电效应
压电体(Piezoelectrics):具有压电效应的介质
介质具有压电性(Piezoelectricity)的条件
其晶体结构不具有对称中心
——在32中点群中有21种点群不具有对称中心,其中43点群没有压电性,其余20种点群的电介质都具有压电性。
另外,压电晶体还必须是离子晶体或者由离子团组成的分子晶体
石英晶体的压电模型
钛酸钡晶体中的电畴示意图
(a)反平行的180?电畴;(b)相互垂直的90?电畴
自发极化与铁电畴(Ferroelectric Domains)
束缚电荷和感应电荷
铁电性
(电滞回线)
1.2 发展无铅压电陶瓷的原因
对于成年人,铅的入侵会破坏神经系统、消化系统、男性生殖系统且影响骨骼的造血功能
对于儿童,由于大脑正在发育,神经系统处于敏感期,在同样的铅环境下吸入量比成人高好几倍
铅进入孕妇体内则会通过胎盘屏障,影响胎儿发育,造成畸形、流产或死胎
罗马帝国亡于铅中毒?
唐太宗死于炼丹术?
传统压电陶瓷PZT
无铅压电陶瓷
20世纪60年代:研究了以铌酸盐和钛酸盐为主的其他一些同样具有钙钛矿结构的无铅压电陶瓷
如NaNbO3-KNbO3、Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3等陶瓷体系
其中NaNbO3基陶瓷具有低密度、高声学速度、介电常数、机械品质因数及压电常数取值范围较宽等
但NaNbO3基陶瓷烧结过程中Na易挥发,且与铅基压电陶瓷相比其性能较差,仍难以满足生产实际需要
1.3 无铅压电陶瓷的发展历史
20世纪80年代:主要的无铅压电陶瓷体系有钛酸钡、钛酸铋钠、铋层状结构及铌酸盐基压电陶瓷
铌酸盐钨青铜结构化合物陶瓷在成分和构造上的差别对它的铁电性能有重要影响
研究得较多的钨青铜结构压电材料是铌酸锶钡单晶体,作为陶瓷几乎没有关于压电和热释电性能的报道
利用模板生长(TGG)技术可以获得相对密度大于95% 的“织构陶瓷”,具有较好的压电性能
20世纪90年代:无铅压电的研究体系对象基本集中在Nb系压电陶瓷及Bi状结构化合物
在Bi层结构体系中以ABi4Ti4O15(A为Ca、Bi0.5Na0.5等+2价金属离子或复合离子)为主
铋层状结构无铅压电陶瓷具有居里温度高,介电击穿强度大,介电损耗低,性能各向异性大及温度、应力性能稳定等特征,是适合高温高频领域的陶瓷材料
但按传统陶瓷制备工艺制得的铋层状压电陶瓷,其压电活性低,通常是致密度低,烧结温度高,难以极化
最近几年:从无铅压电陶瓷研发结果及发明专利来看
具有钙钛矿结构的碱金属铌酸盐陶瓷体系和钛酸铋钠陶瓷体系是人们关注的热点
热压法、活性模板法以及放电等离子烧结制备高性能无铅压电陶瓷也是一个研究的热点和方向
——因为很多无铅压电陶瓷由于其成分或结构的特殊性,传统的陶瓷制备技术难以得到高性能的陶瓷。
2. 无铅压电陶瓷的主要体系
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷简介
钙钛矿结构ABO3型化合物
BaTiO3在120℃以上时属于立方晶系m3m点群:
Ti4+离子居于O2?离子构成的氧八面体中央
Ba2+离子则处于八个氧八面体围成的空隙中
——此时晶体结构对称性极高,因此无偶极矩产生。
在120℃以下时晶体转变为四方晶系4mm点群,没有对称中心:
TiO6八面体基团发生畸变,Ti4+沿4次轴相对O2?移动12pm
Ba2+也在同方向移动6pm
O2?也偏离了正八面体
——此时每个晶胞就具有自发非零电偶极矩,晶体也就变成了热释电体。
钛酸钡陶瓷的不足
居里温度低,工作温度范围窄,在室温附近有相变,使用不便,不能应用于大功率换能器
性能同PZT差距较大,难以通过掺杂来改性,以满足不同需要
烧结温度高(1300~1350℃),烧结有困难
——主要用作电容器材料及PTC材料等方面。
2.2 BNT基无铅压电陶瓷简介
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(简称BNT)
1960年由前苏联斯莫伦斯基(Smolensky)等人发明的A位复合离子钙钛矿型铁电体
室温时属铁电三方相,居里温度为320℃
优点:
铁电性强、压电性能佳、居里温度较高、介电常数小及声学性能好等优良特征
并且烧结温度低(1200℃以下)
缺点:
室温下BNT矫顽场大(Ec = 73 kV/cm),在铁电相区电导率高,因而极难极化
加之Na2O易吸水,烧结温度范围较窄,使陶瓷的化
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