无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景
无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景
Tadashi Takenaka，Hajime Nagata
Faculty of Science and Technology，Tokyo University of Science，Y amazaki 2641，Nada，
Chiba-ken 278-8510，Japan
摘要：钙钛矿结构的陶瓷和铋层结构BLSF陶瓷因具有优良的绝缘性、铁电性和压电性，成为污染环境的含铅压电陶瓷的良好替代材料。钙钛矿陶瓷广泛应用于高能换能器，具有较高的压电常数d33(>300pC/N)和高的居里温度Tc(>200℃)。采用固相法制备的BaTiO3，即(1-x) BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3[BTBK-100x]陶瓷,Tc随着x的增加而增加。BTBK-20+MnCO30.1wt%陶瓷显示出高的Tc（~200℃），同时机电耦合系数k33=0.35。固相法得到的a Bi0.5Na0.5)TiO3-b BaTiO3-c Bi0.5K0.5)TiO3[BNBK(100a/100b/100c)陶瓷,相对于BNBK(85.2/2.8/12)的d33和Tc 分别为191pC/N和301℃。另一方面，BLSF陶瓷是优良的高温压电传感器和具有高机械品质因数Qm的陶瓷共振器，并且在低温下谐振频繁(Tc-f r)。施主掺杂Bi4Ti3O12的陶瓷例如Bi4Ti3-x Nb x O12[BINT-x]和Bi4Ti3-x V x O12[BIVT-x]表现出高的Tc（~650℃）。BINT-0.08陶瓷初始晶粒的k33值为0.39并在350℃时保持这一值。基于固相体系的Bi3TiTaO9(BTT)Sr x-1Bi4-x Ti2-x Ta x O9[SBTT2(x)](1≤x≤2)在x=1.25的P型半导体中表现出高的Qm值(=13500)。
关键词：铁电性，压电性，钙钛矿，铋层结构铁电体
1. 前言
压电性是电子和机电材料表现出来的重要性质。应用最广泛的压电材料是三元系的PbTiO3-PbZrO3(PZT)。然而，近年来为了环境保护人们期望使用无铅材料。例如，欧盟将在电子和电器设备(WEEE)方面执行立法草案,限制有毒物质(RoHS)的排放和控制生活交通工具(ELF)。因此，无铅压电材料作为PZT陶瓷的替代材料吸引了广泛的注意力。
无铅压电材料，如压电单晶，有钙钛矿结构的铁电陶瓷，以及钨青铜和铋层结构铁电陶瓷(BLSF)已有报道。然而，没有哪种材料显示出优于PZT体系的压电性能。为了替代PZT体系，要求划分和发展各种应用领域的压电性能。例如，钙钛矿陶瓷能够应用于高能态的调节器。另一方面，铋层结构铁电陶瓷(BLSF)可应用于陶瓷过滤和谐振器的可选择材料。
本文将详细介绍钙钛矿铁电陶瓷和BLSF陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性，这两种陶瓷是可优先选择并能减少对环境损害的无铅压电材料。
2.实验
陶瓷样品由传统固相反应烧结技术制备。初始材料为纯度达99%以上氧化物或碳酸盐。原料球磨后在600-850℃预烧1-2小时进行混合。预烧后，压制成直径20mm厚10mm的圆片，于900-1350℃的空气中烧结2-4小时。初始晶粒样品通过热腐蚀(HF)方法制备。晶粒取向度F由Lotgering因子进行计算。
样品经抛光和热腐蚀后，其相结构通过CuKα以每分钟1°的扫描速度辐射进行X射线衍射分析。最后，显微结构通过扫描电镜进行观察。烧结过程中的质量损失由TG-DTA分光计进行分析。由Ag-Pd加热粘贴制成的电极测试电性能,如绝缘性、铁电性和压电性。介电常数(εr)和绝介电损耗(tanδ)通过自动LCR测试仪在1MHz下测量,这一系统在温度由绝对温度至900℃的范围内存在多频LCR(YHP4275A)。在绝对温度下，电滞回线采用50Hz的Sawyer-Tower回路标准观察。此温度下的电阻率可以通过高电阻计测得(YHP4329A和4339B)。
用于测量压电性能的样品在使用范围Ep=7-12V/mm温度Tp=RT-300℃下在硅油中加热7-10分钟。压电性能通过基于IEEE标准的原则用谐振与反谐振的方法测量，采用阻抗分析仪(YHP4192A和4194A)。（~33）型纵向振动是通过对4mm×2mm×2mm的矩形样品的测量完成的。机电耦合系数由谐振和反谐振频率计算得出。自由介电常数取决于样品电极1kHz时的电容。弹性常数由频率常量和测量密度中计算。最后，压电常数由机电耦合系数、自由介电常数和弹性常数以相应的比例关系计算得到。
3. 结果与讨论
3.1 钙钛矿结构铁电性
钙钛矿型铁电体如BaTiO3(BT),(Bi1/2Na1/2)TiO3和KnbO3都是人们熟悉的无铅压电材料。这些陶瓷表现出大的压电常数，期望成为无铅压电材料中的调节器和高能换能器。然而，它们也存在一些问题，如低居里温度，极化困难和相对密度较低等。
3.1.1 BaTiO3基陶瓷
BaTiO3(BIT)是最早发现的具有铁电性的钙钛矿结构。这种陶瓷有相对高的机电耦合系数(k33),部分用于声纳。然而，BIT的居里温度较低(Tc=120℃)。因此，这类陶瓷的工作温度范围对于实际应用而言较为狭窄。为了扩大工作温度范围，就需要使BaTiO3基体陶瓷的Tc增加，研究基于固相系统的(1-x)
BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3的绝缘性和压电性能。有报道称(Bi0.5K0.5)TiO3(BKT)的Tc 为380℃。
0≤x≤1时BTBK陶瓷的X射线衍射图谱显示具有单相钙钛矿结构。图1给出BTBK-100x陶瓷的介电常数和介电损耗。在BTBK-100x中，Tc随着x的增加而线形增加，如图2所示。BTBK-20显示出的Tc高于200℃。然而，在BTBK-100x 中,绝对温度和居里温度下的介电常数εr都随着x的增大而增加。
图3给出BTBK陶瓷作为功能陶瓷添加Mn后的电阻率ρ。x=0.1时ρ达到最大值。图4给出阻抗频率与BTBK20+Mn(0.1wt%)的Z(数量绝对值Z,θ相)的关系。
表1总结概括了BTBK陶瓷的居里温度和压电性能。BTBK20+MnCO3(0.1wt%)(Tc=233℃)的机电耦合系数和压电常数分别为0.35和59pC/N。另一方面,BTBK5+Mn(0.1wt%)(Tc=174℃)的压电常数为117pC/N。
3.1.2 (Bi1/2Na1/2)TiO3基陶瓷
钛酸铋钠(Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)陶瓷表现出大剩余极化的强铁电性，Pr=38μC/㎝2，居里温度Tc=320℃。BNT陶瓷的压电性能数据显示在持续工作时有欠缺，因为这类陶瓷极化困难。另一方面，BNT陶瓷需要高于1200℃的烧结温度来获得致密实体。考虑到Bi离子在烧结过程中温度高于1200℃时发生蒸发，低电阻率导致极化处理的欠缺。从温度曲线的测量中发现，温度超过1130℃时Bi离子的蒸发造成质量损耗。所以，BNT陶瓷在1100℃时烧结。对于这种陶瓷，在1100℃保温时间达到100小时将获得高达95%的密度。这种陶瓷的k33和d33分别为0.47和91pC/N,这些值在上述条件下大部分是相同的。鉴于这些情况，能够清晰说明BNT陶瓷做为无铅压电材料具有良好的压电性。
近年来的研究发现，固相法获得的BNT基陶瓷的极化更易进行。特别地，有准同型相界(MPB)的BNT陶瓷被期望获得好的压电性。BaTiO3和KBT，(Bi1/2K1/2)TiO3是人们熟悉的正方晶系的无铅压电材料。二元体系，即(1-x)(Bi0.5K0.5)TiO3-x BaTiO3(BNBT-100x)和(1-y)(Bi0.5K0.5)TiO3-y(Bi0.5K0.5)TiO3 (BNKT-100y)已经由Takenaka et.al.和Sasaki et.al.报道。对于BNBT-100x和BNKT-100y当x=0.06-0.07时存在准同型相界。对于三元体系，(Bi1/2Na1/2)TiO3- BaTiO3-(Bi0.5K0.5)TiO3(BNBK)的绝缘性和压电性的研究,集中在准同型相界处。
图5给出BNBK体系在准同型相界附近各相的关系。在准同型相界区域，BNBT-6和BNKT-16的MPB在菱形晶系存在，BNBT-7和BNKT-20在正方晶系存在。这一实验的组分制备可表示如下：a(BNBT-6)-(1-a)(BNBK-16)(BNBK1-a)
a(BNBT-7)-(1-a)(BNBK-20)(BNBK2-a)
对于每一系统,分别的,a=0,0.2,0.4,0.6,0.8和1
通过X射线衍射发现,在菱方晶系和正方晶系中MPB存在于BNBK1和
BNBK2系统之间。BNBK1和BNBK2系统的居里温度近似为常量300℃。
图6给出BNBK1和BNBK2陶瓷随组分变化而变化的压电常数。所有的BNBK2的压电常数值都比BNBK1的要大。在BNBK2-0.4,显示出压电常数的最大值191pC/N。在准同型相界区域周围获得压电常数有最大值。据称0.852BNT-0.12BKT-0.028BT(BNBK2-0.4)是具有相对大的压电常数(191pC/N)和应用于高居里温度(301℃)的无铅调节器的可选择材料之一。
3.1.3 KNbO3基陶瓷
铌酸钾KnbO3(KN)在室温下具有斜方晶系，在-10,225和425℃时发生相变，由菱方→斜方→正方→立方转变。单个KN晶体具有高的压电活性。然而，通过普通加热而获得致密KN基陶瓷却是困难的。为获得致密KN基陶瓷，研究热锻法(HP)和掺杂添加剂的液态烧结方法。目前，已经能够获得致密KN基陶瓷，然而，由于极化困难使得压电性较难获得。
另一方面，铌酸钾钠的电性能，KNbO3-NaNbO3体系，已经由Egerton和他的同事们报道了。他们对于这一体系的陶瓷的研究揭示了相对低的介电常数和高的机电耦合系数在组分范围较宽时能够获得。然而，他们认识到获得期望中陶瓷结构是困难的，因为这些材料在空气中烧结需要长时间保温来获得足够的致密化。Tashiro et.al.称(K0.47Pb0.03Na0.5) NbO3陶瓷在1170℃加热40小时将显示出高的密度，机电耦合系数kp=0.44和Qm=0.152。这种陶瓷的谐振和反谐振特性在图7中反映。
3.2 铋层结构铁电体
铋层结构铁电体(BLSF)作为电子材料如绝缘、压电或是热电材料从应用的观点来看是很具有吸引力的,因为BLSF具有低的绝缘系数εs，高的居里温度Tc，在机电耦合系数上有大的各向异性。因此，BLSF陶瓷是无铅压电应用物的优先可选择材料，这些应用物可以是具有高居里温度的压电传感器、过滤器、共鸣器或热电传感器。
3.2.1 Bi4Ti3O12体系
Bi4Ti3O12是典型的人们熟悉的BLSF。考虑到各向异性,Cummins和Cross称BIT单晶a和c轴周围的自发极化为50和4μC/c㎡。因此,可以认为BIT单晶有良好的压电性。然而，测量BIT单晶的压电性是困难的，因为制备的BIT单晶的形状通常是很薄的薄片。另外，BIT陶瓷完全可靠的压电性还未见报道，因为在某些方面还存在问题，如电阻率较低和矫顽场较大。为解决这些问题，向BIT
陶瓷中添加Nb5+和V5+以获得较高电阻率。本文研究Bi4Ti3-x Nb x O12[BITN-x]和Bi4Ti3-x V x O12[BITV-x]陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性。更进一步，讨论了通过热铸方法制备的BITN和BITV织构陶瓷在它们压电性上的晶向影响。
BITN和BITV陶瓷的X射线衍射图谱反映了层数m=3时的铋层结构。Nb2O5和V2O5的在x≦0.12时的衍射峰并没有观察到。与理论密度相比，BITN和BITV 陶瓷都具有高的相对密度，高于95%。
图8给出了不同Nb5+和V5+浓度下的居里温度。BIT陶瓷(x=0)的Tc为683℃,并随着Nb5+和V5+的浓度增加而变低。因此，可以认为Nb5+和V5+占据了钙钛矿晶胞在铋层结构中的B位置。然而，与BITN陶瓷相比，BITV的Tc随着V5+浓度的增加趋向饱和。因此，可以认为V5+难以替换Ti4+。过量的V5+存在于晶界并且随V5+增加呈三倍增长。这一根据是通过比较Ti、Nb和V的离子半径而得出的。Ti4+、Nb5+和V5+离子的半径分别为0.605,0.64和0.54埃。可以认为，V 离子的半径对于替换钙钛矿结构在铋层结构中的B位置而言太小。BIT(x=0)的电阻率约为1010-1011Ω㎝,同时,BITN和BITV陶瓷的电阻率为1013-1014Ω㎝。添加一些原料物质导致电阻率加强。适宜的中性电荷可以在BITN-0.08和BITV-0.01的每一组分中观察到。
图9反映了随添加的Nb5+和V5+的浓度(x)不同，机电耦合系数k33的变化情况。在组分x=0.08时BINT的k33达到饱和值(0.200,而BITV-0.02的k33为0.25，这一值对随机方向的BLSF陶瓷而言相对较高。
图10给出BITN-0.08和BITV-0.04陶瓷在垂直平面(光滑)的HF和OF陶瓷的X射线衍射图谱。能够很清晰看到HF陶瓷的晶粒在沿着c轴的方向上生长，因为HF样品在(00l)面上的强度很高。相对的，BITN-0.08和BITV-0.04陶瓷的晶向指数F分别为0.91和0.75。
图11给出了BITN-0.08和BITV-0.04陶瓷随频率变化的阻抗Z。k33的值对于BITN-0.08和BITV-0.04陶瓷分别增加到0.39和0.38。这些值是无织构(OF)类别的两倍并高于理论值(k33=0.27)。在这项研究中，没有得到BIT陶瓷的k33饱和值，因为在极化过程中有电子被破坏。
图12给出了热腐蚀后的BITN-0.08和BITV-0.04陶瓷晶向指数F和k33的关系。采用k33样品的的X射线衍射图谱可以获得精确的晶粒取向度，即XRD直接作用在k33样品上，体现在图13。从测量中可以清晰地看出k33和晶粒取向度F 的关系。随着F的增加k33呈线形增加。从这一点，晶粒取向度F=1的样品的k33值可以通过外推法得到约为0.42。
图14反映了随温度变化而变化的k33和阻抗的峰值与低值的比率P/D，它们是从BITN-0.08和BITV-0.04陶瓷的谐振和反谐振曲线中获得的。从绝对温度RT 到650℃k33的值保持高于0.35。然而，当温度高于350℃时，P/D的值迅速下降。
换言之，P/D值高于1000的剧烈的共振和反共振峰值保持直到350℃。可以明确地知道，HF BITN-0.08陶瓷的压电性能从绝对温度RT到350℃保持在较高水平。对于无铅高温压电材料，基体组元固溶BIT的陶瓷是可以优先选择的对象。
3.2.2 Bi3TiTaO9体系
在一些早期的报道中，已获得高机械品质因数的BLSF陶瓷。例如，Nanao et al.和Shibata et al.称，固相反应得到的t型Bi3TiNbO9-BaBi2Nb2O9的Qm为9000，相对的，固相反应获得的p型SrBi2Ta2O9-CaBi2Ti2O9的Qm为11000。这些特征在系统的底部元件中，Bi3TiNbO9和CaBi2Ti2O9都显示出超过800℃的居里温度Tc。这些数据显示高的Qm能够通过有高Tc的BLSF来获得。基于这种假设，研究有较高居里温度的Bi3TiTaO9(BTT)(m=2)基固相处理系统的绝缘性,铁电性和压电性。三种陶瓷体系选择如下
●Bi3TiTaO9(BTT)-SrBi2Ta2O9-(SBTa)系统
Srx-1Bi4-xTi2-xTa x O9[SBTT2(x)](1≤x≤2)
●掺杂La3+或Nd5+的Bi3TiTaO9(BTT)系统
Bi3-x La x TiTa2O9[BLTT2(x)] (0≤x≤1)
Bi3-x Nd x TiTa2O9[BNTT2(x)] (0≤x≤1)
有关SBTT2系统,SBTa陶瓷的居里温度为280℃，相对于SBTT2(1.375)在极化条件Ep=7-10kV/mm，Tp=250℃，t p=7min，随着固溶BTT量的增加而升高，并高于900℃。Qm和kp分别增大到最大值9000和0.12。另外，极化后SBTT2(1.25)的Tp=300℃表明在p型中Qm的最大值为13500。在普通压电陶瓷中这些值是相当高的。图15反映了p型（~33）和（~15）振动模式下的SBTT2(1.25)陶瓷频率独立时的阻抗Z。采用相同的极化条件，（~33）和（~15）型SBTT2的Qm分别为8800和6000。SBTT2(1.25)的谐振频率(TC-f r)的温度系数是-82ppm/℃对于(~33)型,而对于(~15)型为-97ppm/℃。BLTT2(0.25)和BLTT2(0.5)陶瓷都表现出相当高的Qm值,在(~33)型中是11000,结果在表2中进行了总结。
4.结论
本文归纳了做为无铅压电材料钙钛矿铁电和铋层片结构BLSF陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性，用以减少环境的损害。钙钛矿型陶瓷适用于调节器和要求有大的压电常数d33(>300pC/N)，高的居里温度Tc(>200℃)的高能应用领域。而BLSF陶瓷是作为高温和高机械品量因数Qm的陶瓷谐振器的压电传感器的优良的可选材料，并具有低的温度系数的谐振频率(TC-f r)。为了替代PZT体系，按照每种应用领域的对压电性能要求,协调每种无铅材料的性能是很有必要的。
电子封装用无铅焊料的最新进展
１ 引言 一直以来，铅锡合金作为电子工业的主要封接材料，在电子部件装配上占主导地位。然而铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性。尤其是近年来随着人们环保意识的增强和对于自身健康的关注，铅污染越来越受到人们的重视。 ２００３年７月１３日，欧盟正式颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令，并明确要求其所有成员国必须在２００４年８月１３日以前将此指导法令纳入其法律条文中。该法令严格要求在电子信息产品中不得含有铅、汞、镉（ｃａｄｍｉｕｍ）、六价铬（ｈｅｘａｖａｌｅｎｔ ｃｈｒｏｍｉｕｍ），多溴联苯（ｐｏｌｙｂｒｏｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｉｐｈｅｎｙｌｓ ＰＢＢ）及多溴二苯醚（ｐｏｌｙｂｒｏｍｉｎａｔｅｄ ｄｉｐｈｅｎｙｌｓ ｅｔｈｅｒｓＰＢＤＥ）。 严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅焊接提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。但在工艺方法上，无铅焊料还存在很多缺点和不足，急需解决。 目前，国内关于无铅焊料和无铅钎料的专利共有６９条，从中可以看出我国自己的专利申请速度在不断加快。多数专利是在主要元素基础上，通过添加微量元素来改善焊料的性能，但有的专利由于组元太多，在生产中会产生困难。同时，尽管现在有很多专利，但是这些专利范围的成分还没有达到最佳性能，不能满足所有要求。 ２ 无铅焊料的三大弱点 自欧盟颁布ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令以来，世界各国 电子封装用无铅焊料的最新进展 黄卓１，张力平２，陈群星２，田民波１ （１．清华大学 材料科学与工程系，北京 １０００８４； ２．振华亚太高新电子材料有限公司，贵州 贵阳 ５５００１８） 摘要：随着ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ法令的颁布，电子封装行业对于无铅焊接提出了更高的要求。根据国际上对无铅焊料的最新研究进展提出了无铅焊料“三大候选”的概念。总结了目前无铅焊料尚存的三大主要弱点，并对国际上推荐使用的几种无铅焊料的优缺点进行了概述。 关键词：无铅焊料；候选焊料；熔点；稳定性 中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００６）１１－０８１５－０４ Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｅａｄ－Ｆｒｅｅ Ｓｏｌｄｅｒ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ＨＵＡＮＧ Ｚｈｕｏ１， ＺＨＡＮＧ Ｌｉ－ｐｉｎｇ２， ＣＨＥＮ Ｑｕｎ－ｘｉｎｇ２， ＴＩＡＮ Ｍｉｎ－ｂｏ１（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ； ２． ＺｈｅｎｈｕａＡｓｉａ－Ｐａｃｉｆｉｃ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００１８， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ ｏｆ ＷＥＥＥ／ＲｏＨＳ， ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｒａｉｓｅｄ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｊｏｉｎｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ ｗｅｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｗｅａｋｎｅｓｓｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄｎｏｗａｄａｙｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ａｎｄ ａ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒ； ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｓｏｌｄｅｒ； ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ； ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 基金项目：国家“８６３”计划引导项目（２００２ＡＡ００１０１３） Se mi con duc to r Tec hno log y Vo l. 31 No. 11 No ve mbe r 2006815
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压电陶瓷发电技术的研究 摘要：信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高［1］。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视，在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。 Abstract: The rapid developme nt of in formatio n tech no logy has n ot led to the progress of power source, an dsupply en ergy den sity is no tsig nifica ntly improved. Although the chemical batteries are widely used, but the disadva ntage that they waste materials, pollute environment and recycle difficulty. Piezoelectric vibration generator is an inno vative type ofpersiste nt, clea n and maintenan ce-free power gen erati on d evice. The research of piezoelectric ceramic tech no logyfor power gen erati on has received wide atte ntio n, which has good prospect of applicati ons in wireless sensorn etworks.
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BNT无铅压电陶瓷的制备及进展研究 摘要:随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷以其良好的电学性能和较高的的居里温度等特点成为当前铁电压电材料及其应用研究的热点之一。本文主要介绍了Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷的研究现状、制备工艺及其发展与实际应用。 关键词：BNT基无铅压电陶瓷、制备工艺、研究进展、改性研究. 引言:材料是人类生活和生产活动必需的物质基础，同人类文明密切相关。历史上，人们把材料作为人类进步的里程碑，如“石器时代”、“铜器时代”、“铁器时代”等。到20世纪60年代，人们把材料、信息、能源誉为当代文明的三大支柱；20世纪70年代又把新材料、信息技术、生物技术作为新科技革命的主要标志,现在这些技术仍然是21世纪发展的主导。现代科学技术发展的历史表明，材料对推动科学技术的发展极其重要。随着信息时代的到来，各种具有优异性能的新型无机材料开始受到人们的关注和重视。20世纪80年代以来，随着高科技的兴起和发展，需要许多能满足高科技要求的新材料，其中大部分属于功能材料.因此，材料开发的重点越来越转向功能材料。可以说,研究功能材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能之间的关系和规律，己经成为一门新的学科. 压电材料是功能材料的重要组成部分，是实现机械能(包括声能)与电能之间转换的重要功能材料，其应用己遍及人类日常生活的各个方面,由于其在信息、激光、导航和生物等高技术领域占有重要的地位，因此对它的研究在无机材料研究领域中非常活跃并具有诱人的前景。压电陶瓷是重要的机一电能量转换材料,其应用领域广泛，在国民经济中占有重要地位。压电陶瓷主要用于声纳(军用）、医疗设备、电视、通讯、导航及自动化.压电驱动器和超声马达构成的灵巧器件，是最近的重要发展方向。2000年，美国Business ComunicationCO。发表了长达174页的压电材料研究发展及市场的调查报告，认为这种材料具有许多重要应用领域及发展前景，并列举出44项新应
无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体(精)
无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体健康而发展起来的，其大致可以分为以下几个阶段： (1)无铅焊料的提出阶段 1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0．1％以下。由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料，有铅焊料发展得相当成熟，而在那时人们对生态环境的保护意识还不够，对铅对人体损伤的认识不足，因而没有受到重视。 (2)无铅焊料的发起阶段 从1991年起NEMI、NCMS、NIST、Drr、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过2 000万美元，目前仍在继续。 (3)无铅焊料的运用阶段 在1998年10月，第一款批量生产的无铅电子产品Panasonic MiniDisc MJ30问世。20世纪90年代中叶，日本和欧盟作出了相应的立法：日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料，在2004一年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备；而欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备，但是由于无铅焊料还存在技术上的原因，有可能到2008年才能实现电子产品无铅化。 2.无铅焊料的技术要求 无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下： （1）熔点低，合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性；（2）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； （3）热传导率和导电率要与Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性； （4）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能； （5）要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更换设备不改变现行工艺的条件下进行焊接。（6）焊接后对各焊点检修容易； （7）成本要低，所选用的材料能保证充分供应。 3.常见的无铅焊料及特性 最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素，通过焊料合金化来改善合金性能提高可焊性。 目前常用的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，添加适量其它金属元素组成三元合金和多元合金。 （1）Sn-Ag系 锡银系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。它的状态图如图3.9所示，共晶温度为221℃，与单村的共晶合金状态图相比（图3.8），Ag含量超过50％的成分范围比较复杂。在75％Ag含量附近有一个纵长的区域，写着Ag3Sn，在此成分和温度区域内，Ag3Sn能够稳定地存在。仔细看可以发现，在这个Ag3Sn区域的左侧与二元共晶状态图相似。在Sn和Pb二元合金的情况下，Sn和Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素，然而Sn中几乎不能固溶Ag。也就是说，所形成的合金组织是由不含银的纯β-Sn 和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。 图3.9 添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成
无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景
无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景 Tadashi Takenaka，Hajime Nagata Faculty of Science and Technology，Tokyo University of Science，Y amazaki 2641，Nada， Chiba-ken 278-8510，Japan 摘要：钙钛矿结构的陶瓷和铋层结构BLSF陶瓷因具有优良的绝缘性、铁电性和压电性，成为污染环境的含铅压电陶瓷的良好替代材料。钙钛矿陶瓷广泛应用于高能换能器，具有较高的压电常数d33(>300pC/N)和高的居里温度Tc(>200℃)。采用固相法制备的BaTiO3，即(1-x) BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3[BTBK-100x]陶瓷,Tc随着x的增加而增加。BTBK-20+MnCO30.1wt%陶瓷显示出高的Tc（~200℃），同时机电耦合系数k33=0.35。固相法得到的a Bi0.5Na0.5)TiO3-b BaTiO3-c Bi0.5K0.5)TiO3[BNBK(100a/100b/100c)陶瓷,相对于BNBK(85.2/2.8/12)的d33和Tc 分别为191pC/N和301℃。另一方面，BLSF陶瓷是优良的高温压电传感器和具有高机械品质因数Qm的陶瓷共振器，并且在低温下谐振频繁(Tc-f r)。施主掺杂Bi4Ti3O12的陶瓷例如Bi4Ti3-x Nb x O12[BINT-x]和Bi4Ti3-x V x O12[BIVT-x]表现出高的Tc（~650℃）。BINT-0.08陶瓷初始晶粒的k33值为0.39并在350℃时保持这一值。基于固相体系的Bi3TiTaO9(BTT)Sr x-1Bi4-x Ti2-x Ta x O9[SBTT2(x)](1≤x≤2)在x=1.25的P型半导体中表现出高的Qm值(=13500)。 关键词：铁电性，压电性，钙钛矿，铋层结构铁电体 1. 前言 压电性是电子和机电材料表现出来的重要性质。应用最广泛的压电材料是三元系的PbTiO3-PbZrO3(PZT)。然而，近年来为了环境保护人们期望使用无铅材料。例如，欧盟将在电子和电器设备(WEEE)方面执行立法草案,限制有毒物质(RoHS)的排放和控制生活交通工具(ELF)。因此，无铅压电材料作为PZT陶瓷的替代材料吸引了广泛的注意力。 无铅压电材料，如压电单晶，有钙钛矿结构的铁电陶瓷，以及钨青铜和铋层结构铁电陶瓷(BLSF)已有报道。然而，没有哪种材料显示出优于PZT体系的压电性能。为了替代PZT体系，要求划分和发展各种应用领域的压电性能。例如，钙钛矿陶瓷能够应用于高能态的调节器。另一方面，铋层结构铁电陶瓷(BLSF)可应用于陶瓷过滤和谐振器的可选择材料。 本文将详细介绍钙钛矿铁电陶瓷和BLSF陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性，这两种陶瓷是可优先选择并能减少对环境损害的无铅压电材料。
无铅压电陶瓷的制备
渭南师范学院 本科毕业论文 题目：无铅压电陶瓷的制备及其研究进展专业：材料化学 学院：化学与生命科学学院 毕业年份：2013 姓名：丁妮 学号：090944080 指导教师：李俊燕 职称：讲师 渭南师范学院教务处制
无铅压电陶瓷的制备及其研究进展 丁妮 (渭南师范学院化学与生命科学学院材料科学系09级1班) 摘要：无铅压电陶瓷的开发和应用已经成为各个国家的研究热点。因此本文总结了粉体的合成方法和无铅压电陶瓷的制备技术，并分析了当前应用最多的五类无铅压电陶瓷的特点和性能，最后指出其未来发展趋势。 关键词：无铅压电陶瓷；制备方法；水热法；陶瓷晶粒定向技术 压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能之间转换的新型功能材料，与压电晶体相比，具有易制成复杂形状、成本低、机电耦合系数大、压电性能可调节性好以及优越的光、电、热、磁力学性能和化学稳定性等优点，已广泛用于电子、通信、航空、发电、探测、冶金、计算机等诸多领域[1]。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[2-6]。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，逐渐成为研究的热点。特别是我国加入WTO后，能否成功开发出具有原始创新性的、拥有自主知识产权的、性能优良的无铅压电陶瓷体系，对我国压电陶瓷产业来说，既是严峻的生存挑战，又是腾飞的机遇。 1 无铅压电陶瓷的概念和分类 无铅压电陶瓷是指不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有满意的使用性又有良好的环境协调性的压电陶瓷，它要求材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质，在制备、使用及废弃后处理过程中不产生可能对环境有害的物质，也不对人类及生态环境造成危害[7]。 目前研究的无铅压电陶瓷材料按组成可分为以下几类：钛酸钡基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、Na0.5Bi0.5TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、钨青铜结构无铅压电陶瓷和铋层状结构无铅压电陶瓷。这些材料和传统的PZT基压电陶瓷相比，虽然有各自的特点，但压电性能比较差，不能完全取代目前广泛使用的PZT基压电陶瓷，为了提高无铅压电陶瓷的压电性能，人们已经在改变组分、掺杂改性等方面进行了大量的研究。作为无铅压电陶瓷材料研究、应用的基础，制备方法在提高无铅压电陶瓷性能方面显得尤为重要。 2 无铅压电陶瓷的制备方法 2.1 粉体制备方法 目前，固相法由于具有成本低、产量高以及制备工艺较简单等优点而成为无铅压电陶瓷最常用的制备方法，但是通过该方法制备的粉体，各种原料很难混合均匀，易混入杂质，且粉料活性较差，煅烧温度高，易造成组分的挥发，影响烧结样品的致密化，从而降低了样品性能。近几年来，人们开始研究软化学法制备陶瓷粉体以克服传统工艺的不足。软化学合成方法由于具有化学计量比准确、化学均匀性高以及成相温度低、致密化程度高、电学性能优异等优点而备受青睐。目前，制备无铅压电陶瓷的软化学方法主要有共沉淀法、溶胶-凝胶法、熔盐法和水热法等[8]。 2.1.1 共沉淀法 共沉淀法为在含有多种金属离子的溶液中加入沉淀剂利用Ksp作为理论依据，使金属离子完全、同时沉淀[9]。 杜仕国等[10]将草酸滴人BaCl2和TiCl4(或Ti(NO3)4、Ba(N03)2)的混合水溶液中，得BaTi(C2O4)2·4H2O的高纯度沉淀，经过滤、洗涤、热分解后，得到BaTiO3纳米微粒。因为共沉淀法在制备过程中就能完成反应及掺杂过程，故也可用于功能陶瓷的制备，如以H2Ti03、H2O2、NH3和Ca(NO3)2为原料，合成出CaTiO3。此法也可用于制备ZrO2基陶瓷粉体，如
电子产品中的无铅焊料及其应用与发展
- 5 - 电子产品中的无铅焊料及其应用与发展 苏佳佳1,2，文建国2 （1.广东工程职业技术学院，广州 510520；2.广东工业大学，广州 510006） 摘 要：由于传统焊接技术使用的Sn-Pb 焊料中的铅会对环境造成污染而被禁止使用，近年来无铅焊料成为了研究热点。文中介绍了运用于电子产品中的无铅焊料的发展背景、特点及要求。根据应用温度不同，无铅焊料可以分为低温、中温和高温无铅焊料。文章综述了它们各自的应用特点、场合及存在的问题和发展前景。 关键词：无铅焊料；锡银合金；锡锌合金；锡铋合金 中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2007）08-0005-04 Application Feature and Development of Lead-Free Solders Used in Electronical Product SU Jia-jia 1，2 , WEN Jian-guo 2 （1. Guangdong Polytechnic College , Guangzhou 510520, China ;2. Guangdong University of technology , Guangzhou 510006, China ） Abstract: Due to the destroyed to environment, the solders of Sn-Pb which have been used in traditional welding technology are forbidden. And the lead-free solders have been extensively research in these years. In this paper, the developing-background, feature and requirement of lead-free solders which used in electronic product were introduced. According to the application temperature, the solders have three types, which are low-temperature, mid-temperature and high-temperature. And their application features, fields and existing problems were presented respectively. The development of lead-free solders was also described.Key words: lead-free solder; S n-Ag; Sn-Zn; Sn-Bi 收稿日期：2007-05-11 1 引言 焊料从发明到使用，已有几千年的历史。Sn-Pb 焊料以其优异的性能和低廉的成本，得到了广泛的使用。但是，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来危害。因此，限制铅使用的呼声越来越高，各个国家已积极通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。20世纪90年代初，美国国会提出了关于铅的使用限制法案（HR2479-Lead Based Paint Hazard Abatement Trust Fund Act ，S-1347-Lead Abate-ment Trust Fund Act ，S-729-lead Exposure Reduction Act ），并由NCMS （the National Center for Manu facturing Sciences ）Lead Free Solder Project 等进行无铅焊料的研究开发活动。目前，研究替代Sn-Pb 焊料的无铅焊料主要集中在Sn-Ag 、Sn-Bi 、Sn-Zn 几种合金焊料上[1]。 2 无铅焊料的特点 理想的无铅焊料最好与原来的Sn-Pb 共晶焊料有相同或相近的性能，比如具备低熔点，能像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固，具有与Sn-Pb 相同的熔融温度范围、良好的接合性能和浸润性等。对于
压电陶瓷应用研究进展
压电陶瓷应用研究进展 程院莲,鲍 鸿,李 军,李小亚 (广东工业大学自动化学院,广东广州510090) 摘 要:阐述了压电陶瓷在振子、换能器及光电等方面的应用及近年来所取得的最新成果;给出了具体的最新应用实例。 关键词:压电陶瓷;超声换能器;压电驱动器 中图分类号:TN712+ 5 文献标识码:A 文章编号:1672-4984(2005)02-0012-03 Research progress in applications of piezoelectric ceramic C HENG Yuan -lian,BAO Hong,LI Jun,LI Xiao -ya (College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510090,China) Abstract:The applications to the aspects such as piezoelectric resonators ,piezoelectric transducer,photo devices,and the newest research outcomes made in the recent years are expounded,some newest application examples are also given Key words:Piezoelectric ceramic;Ultrasonic transducer;Piezoactuator 收稿日期:2004-06-09;收到修改稿日期:2004-08-17基金项目:广东省教育厅科研基金项目资助(030058)作者简介:程院莲(1978-),女,硕士研究生,主要从事检测技术与自动化装置研究。 1 引 言 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,它具有压电效应。所谓压电效应是指由应力诱导出极化(或电场),或由电场诱导出应力(或应变)的现象,前者为正压电效应,后者为负压电效应,两者统称为压电效应。目前为止,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。随着新工艺和新材料的出现,压电陶瓷应用日新月异,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。 2 压电陶瓷的广泛应用 压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。2 1 压电陶瓷频率控制器件 压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片(压电振子)在外加交变电压作用下,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小,但是当所加电压的频率与压电 振子的固有机械振动频率相同时会引起共振,振幅 大大增加。这时,交变电场通过逆压电效应产生应变,而应变又通过正压电效应产生电流,电能和机械能最大限度地互相转换,形成振荡。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等,其频率稳定性好,精度高,适用频率范围宽,体积小,不吸潮,寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。2 2 压电换能器及传感器 压电陶瓷在交变电场作用下,会产生伸缩振动,从而向介质中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有机械频率相近时会产生共振,它能发出很强的超声波振动。因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的性质和状态,如超声清洗、超声乳化以及制作各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工等。压电晶体产生的超声波在介质中传播,遇到障碍物时,大部分声能被折回形成回波,回波再被压电晶体接收转变成电信号,电信号的幅度与给定频率下的声信号的幅度成比例。根据此电信号的各种参量,可以进行超声医疗,对金属进行无损探测以及探测水下物体等。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器;把电能转换为声能的换能器叫作发射器。声纳就是这方面的一个广泛应用,有些声纳用同一只换能器来发射和接收声音;另一些则使用分开的发射器和水听器。其 第31卷第2期 2005年3月中国测试技术 C HINA MEASUREME NT TECHNOLOGY Vol 31 No 2Mar,2005
无铅压电陶瓷的制备【开题报告】
毕业论文开题报告 应用物理 无铅压电陶瓷的制备 一、选题的背景与意义 铁电压电陶瓷作为一种非常有用的功能材料已经深入我们的生活，它在许多的电子产品上有着重要的功能，目前压电陶瓷主要是以锆钛酸铅(PZT)为基通过掺杂制得的，由于PZT中含有污染环境的Pb，所以国际上对电子产品中Pb的含量有着严格的限制，并且PZT在烧结时它的主要成分PbO2（高达60%-70%）会产生严重的挥发，所以在制备的过程中需要密封烧结，不仅增加了成本，也使得产品的性能有所下降．为解决目前压电陶瓷中Pb对环境的污染问题，提高产品的性能，降低生产成本，大力发展无铅铁电压电陶瓷就非常具有现实意义．基于无铅压电陶瓷必定会在未来取代有铅压电陶瓷，所以国家对此项目也十分的支持，无铅压电陶瓷的性能研究和制备技术已得到国家＂十五＂和＂863＂高技术新材料特种功能材料领域的支持。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题 在所有无铅压电陶瓷中，(Bi0.5Na0.5)TiO3是一种有前途的基材料。BNT在室温下具有较强的铁电性，相当大的剩余极化强度Pr=3.8×10-5C/cm2，也具有相对较高的居里温度Tc=320℃，但是它有较高的矫顽场强Ec=73kv/cm,难以极化，并且在去极化温度T d=220℃时会发生退极化，失去压电性，相对PZT它对温度的稳定性也较差，所以，有必要提高BNT的压电性能，并且适当降低它的矫顽电场。由BNT－BT组成的二元系可能具有较低的矫顽电场，使陶瓷极化较容易。并且掺入适当的KNbO3可使晶粒择优定向生长，可获得性能良好的无铅压电陶瓷。 研究的基本内容： 1.本课题主要的研究内容是利用固相法以及分析纯氧化物Bi2O3(99.9%), Na2CO3 (99.8%), BaCO3(99%), TiO2(99%) and K2CO3(99%), Nb2O5(99.5%)制备出三元无铅的Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3（BNT-BT-KN）陶瓷。 制备所利用的原理： Bi2O3+NaCO3+TiO3煅烧(Bi1/2Na1/2)TiO3+CO2 BaCO3+TiO3煅烧BaTiO3+CO2 K2CO3+Nb2O5煅烧KNbO3+CO2
无铅焊的发展现状和发展趋势
无铅焊技术的发展现状和发展趋势 摘要 在焊接技术的发展过程中，锡铅合金一直是最优质的、廉价的焊接材料，无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求；但是，随着人类环保意识的加强，“铅”及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视。随着无铅焊接的逐步应用（这是大势所趋），越来越多的用户开始寻找合适的焊接工具与密管脚芯片返修设备。2006年7月起，进入欧盟市场的电子电气产品将禁用的有害物质包括：镉、六价铬、铅、汞、PBB（多溴联苯）和PBDE （多溴二苯醚）。我国也已制定了相应的法律法规，最后期限也是2006年7月。本文对无铅焊接技术做了主要的介绍。 关键词：焊料趋势工艺窗口设备 Abstract In the process of the development of solder alloys，tin lead has been the most high-quality，low-cost， whether the quality of welding welding materials or reliability of welding is used to achieve requirements，But，as the environmental protection consciousness， strengthen human "and" lead compounds for the harm to human body and pollution to the environment， more and more attention by humans. With the application of lead-free soldering gradually （this is inevitable）， more and more users start looking for the right tools and pipe welding equipment repair feet chips. 2006 July，into the eu market electric products will disable the harmful material include: hexavalent chromium， cadmium， lead，mercury，PBB （br） and PBDE （more spin bromine diphenyl ether）. China has formulated relevant laws and regulations， the deadline is July 2006. In order to make everyone to lead-free soldering have more understanding of lead-free soldering， this paper mainly introduces the doing.
无铅压电陶瓷材料的研究现状
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/7d14918127.html, 无铅压电陶瓷材料的研究现状 作者：吴思华王平付鹏 来源：《佛山陶瓷》2008年第02期 摘要本文综述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料方面的研究进展，重点介绍了钛酸钡 基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系以及钨青铜结构无铅压电陶瓷体系的研究现状，并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。 关键词无铅压电陶瓷，铋层状结构，钛酸铋钠基，钨青铜结构 1引言 随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，无铅压电陶瓷材料的研究和应用更日益引起人们的关注。压电陶瓷被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域，是最重要的电子材料之一，然而，目前使用的压电陶瓷材料仍是含铅的，其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%，由于氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产过程中，氧化铅粉尘以及高温合成或烧结过程中挥发出来的氧化铅极易造成环境污染，在使用和废弃后的处理过程中也会给人类及生态环境造成严重危害。于是近年来，为了保护人类及生态环境，许多国家都在酝酿立法禁止使用含铅的压电陶瓷材料，因此，开发无铅基的环境协调性（绿色）压电陶瓷材料是一项紧迫而具有重要科学意义的课题。 近年来，国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要有：钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系及钨青铜结构无铅压电陶瓷。 2钛酸钡基无铅压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是最早发现的典型无铅压电材料，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。目前，BaTiO3基无铅压电陶瓷体系主要有：（1）（1-x）BaTiO3-xABO3(A=Ba、Ca等；B=Zr、Sn、Hf、Ce等)； （2） (1-x）BaTiO3-xA′B′O3（A′=K、Na等；B′=Nb、Ta等）；
电子工程师必备知识
电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。
无铅焊料的研究进展
无铅焊料的研究进展 姓名：张明康 学号：201130410367 学院: 材料科学与工程 专业：金属材料科学与工程
摘要 随着电子工业的飞速发展和人们环保意识的提高，电子封装行业对无铅焊料提出了更高的要求，本文综述了无铅焊料的研究现状，存在的问题，并重点阐述稀土元素对无铅焊料性能的影响。 关键词：无铅焊料，电子封装，稀土 ABSTRACT With the rapid development of electronic industry and the improvement of environmental awareness, electronic packaging industry, puts forward higher requirements on lead-free solder, lead-free solder was reviewed in this paper the research status, existing problems, and focus on the effect of rare earth elements on the properties of lead-free solder. Key words: Lead-free solder, electronic packaging, rare earth 1 前言 长期以来，铅锡焊料由于具有较低的熔点、良好的性价比以及已获得性，成为低温含量中最主要的焊料系列。但是由于所含铅的比例较高，给环境带来了严重的污染，近年来随着人们环保意思的增强和对健康的关注，铅的污染越来越受到人们的重视。欧盟RoHS及WEEE法令的颁布，严格要求在电子信息产品中不得含有铅等有毒元素。严格的禁铅条例使电子封装产业对无铅含量提出了更高的要求，已经成熟的锡铅焊料必须被性能相近或更高的无铅焊料所替代。世界各国都在对无铅焊料进行了大量的研究，无铅焊接技术也得到了较大的发展，但仍存在着许多问题。 2 无铅焊料的研究现状
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势 摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。 关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅 前言 压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。 1、压电陶瓷的基本原理及概念 压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的
变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。 在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。固溶体．冷却温度在居里温度以上时，其结构为立方晶系钙钛矿型，到居里温度时发生相变并发生自发极化转成铁电相。PZT的晶格常数随组成的不同而不同，在四方铁电相区域，随着PbZrO3含量的增加a(=b)轴显著增大，c轴稍有缩短，晶胞体积增大，使得它有良好的机电耦合系数和机械品质因素。此后，研究者们利用掺杂的办法利用三元系不断改进其压电性能。 机电耦合系数：压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度用机电耦合系数表示，即：k33=E c/E e.通常用K33表示。 机械品质因数：压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数，它是一个无因次的物理
BiAlO_3基高温无铅压电陶瓷的研究进展
第25卷第3期2010年3月 无机材料学报Jour nal of I norgan i cM aterials V o.l 25,No .3 Mar .,2010 文章编号:10002324X(2010)0320225205 DO I :10.3724/SP.J .1077.2010.00225 收稿日期: 2009206220,收到修改稿日期: 2009208213 基金项目: 国家自然科学基金(60601020);北京市自然科学基金(4072006);北京市科技新星计划(2007A014)作者简介: 侯育冬(1974-),男,博士,副教授.E 2ma i :l ydhou@b j u t .edu .cn Bi A l O 3基高温无铅压电陶瓷的研究进展 侯育冬,崔磊,王赛,王超,朱满康,严辉 (北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124) 摘要:铝酸铋(B i A l O 3)是近年发现的一种新型钙钛矿结构无铅压电材料,在-133e 到550e 的温度范围内不存在结构相变,适合作为高温压电器件材料使用.本文从理论计算,高压合成工艺和添加第二组元等方面归纳和分析了B i A l O 3基无铅陶瓷的研究进展和趋势,评述了现有研究中存在的问题和不足,并对B i A l O 3基无铅压电陶瓷今后的研究和发展提出一些建议. 关 键 词:高温压电陶瓷;铝酸铋;钙钛矿结构中图分类号:T M 282 文献标识码:A P rogress in R esea rch on B i A l O 32based H igh T e m pera ture L ead 2free P iezoelectr ic Ceram ics HO U Yu 2Dong ,CU I Le,i WANG Sa,i WANG Chao ,Z HU M an 2Kang ,Y AN H u i (College ofMateri als Science and Engi neeri ng ,Beiji ng Un i versity ofTechnology ,Beiji ng 100124,China) A bstra ct :The b is muth a l u m inate (Bi A l O 3)is a ne w developed lead 2f ree piez oelectric materialw it h perovs 2kite structure .Bi A l O 3has no structura l phase transiti o ns bet w een -133e and 550e ,wh ich i n dica tes that it is suitab le to be applied in h i g h te mperature p iez oelectric device .I n this paper ,the research progress and trends on Bi A l O 3based cera m ics are revie wed w ith e mphases on t h e t h eoretica l calcu lation ,high pressure syn t h etic technology and the additi o n of t h e second co mpound .The li m itation and proble ms in t h e recent wor ks are d iscussed ,and so me i d eas f or f u rther deve l o pment of Bi A l O 3based cera m ics are suggested .K ey words :h i g h te mperature piez oelectric cera m ics ;Bi A l O 3;perovskite struct u re 压电陶瓷可以实现机械能与电能的相互转换,是一类重要的功能材料,已广泛应用于通信、电子、冶金和机械等诸多领域.近10年来,随着航天航空、石油化工、地质勘探、核能发电、汽车制造等工业的迅猛发展,电子设备需要在更高温度下工作,对高温压电材料和器件的需求越来越迫切.例如:在汽车中工作的动态燃料注射喷嘴工作温度高达300e ;油井下使用的声波测井换能器工作温度也达到200~300e .作为高温压电陶瓷材料,必须在较高温度下(>400e )不出现结构相变以保证不发生高温退极化现象而劣化压电器件的温度稳定性.但是,目前商业化应用的压电陶瓷仍以钙钛矿结构的锆钛酸铅Pb(Zr ,T i)O 3(缩写为PZ T )体系为主,这类材料的居里温度低于400e (一般在250~380e ),由于热激活老化过程,其安全使用温度被限制在居里温度的 1/2处,仅适于常规条件下使用[1] . 2001年,美国宾州州立大学的E itel 等研究发现,PbT i O 32BiSc O 3体系存在准同型相界结构(MPB),具有高居里温度(T c >450e )和优良压电性能,可以满足高温压电换能器件的使用需要[2] .这一发现引发了国内外的研究热潮,针对PbT i O 32BiSc O 3体系的掺杂与复合改性开展了许多工作[324].尽管PbT i O 32BiSc O 3体系性能优异,部分甚至已经商用于高温压电换能器,但是与传统的PZ T 体系一样,这类材料的共同缺点是含铅.铅基材料在生产、使用及废弃处理过程中会污染环境,给生物和人类健康带来很大危害[526] .因而,研究和开发具有优良压电性能的高温无铅压电陶瓷材料具有重大的经济价值和社会意义. 1 钙钛矿结构无铅压电陶瓷 压电陶瓷根据其晶体结构一般可分为三种类型: