三大无铅压电陶瓷体系的最新进展

关键词： 无铅压电陶瓷； 铌酸钾钠； 钛酸铋钠； 锆钛酸钡
中图分类号： TM22
文献标识码： A
文章编号： 1000-985X（ 2012） S1-0309-07
New Research Progress of the Three Main Lead-free Piezoelectric Ceramic Systems
SHEN Zong-yang，LI Yue-ming，WANG Zhu-mei，LIAO Run-hua
（ School of Materials Science and Engineering，Jiangxi Key Laboratory of Advanced Ceramic Materials， Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333403，China） （ Received 22 December 2011，accepted 30 December 2011）
基金项目： 国家自然科学基金（ 50962007 ） ； 江西省主要学科学术和技术带头人培养计划 （ 2010DD01100 ） ； 江西省教育厅科学基金项目 （ GJJ12508，GJJ09533）
作者简介： 沈宗洋（ 1979-） ，男，江西省人，副教授，博士。E-mail： shenzy_08@ 126． com 通讯作者： 李月明，教授，博士。E-mail： lym6329@ 163． com
1引 言
压电陶瓷能够实现机械能和电能的相互转换，是一类重要的电功能材料，广泛应用于驱动器、传感器、换 能器等多种器件的制作，其应用领域涉及到机械、电子、通讯、精密控制、国防军事等各个方面［1］。传统的含 铅 PZT 系压电陶瓷具有优异的电机械性能，在电子信息产品中有着举足轻重的不可替代作用，但 Pb 的毒性 使得该体系陶瓷在生产、使用及废弃过程中，会给人类的生态环境造成严重后果。各主要工业国及我国政府 都颁布了相应的法律法规，限制或在不久的将来全面禁止含铅等 6 种有害物质在电子信息产品中的使用［2］。 研究开发新型高性能无铅压电陶瓷是一项重要而紧迫的课题，是保护人类环境的重要举措之一。
摘要： 铌酸钾钠（ （ K，Na） NbO3 ，KNN） 系、钛酸铋钠（ （ Bi，Na） TiO3 ，BNT） 系以及锆钛酸钡（ Ba（ Zr，Ti） O3 ，BZT） 系压 电陶瓷是目前研究最广泛的三大无铅压电陶瓷体系。本文主要综述了上述三大无铅压电陶瓷体系在性能增强研
究方面的最新进展，并对其未来的发展前景进行了展望。
第 41 卷 增刊 2012 年 8 月
人工晶体学报
JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS
Vol． 41 Supplement August，2012
三大无铅压电陶瓷体系的最新研究进展
沈宗洋，李月明，王竹梅，廖润华
（ 景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，景德镇 333403）
Abstract： Three main lead-free piezoelectric ceramic systems，sodium potassium niobate （ KNN） system， bismuth sodium titanate （ BNT） system and barium zirconate titanate （ BZT） system，were extensively studied in recent years． In this paper，the new progress of these three main lead-free piezoelectric systems were reviewed with an emphasis on the properties enhancement． The future development prospects of these three systems are also presented． Key words： lead-free piezoelectric ceramics； sodium potassium niobate； bismuth sodium titanate； barium zirconate titanate
2 KNN 系无铅压电陶瓷
自 2004 年 Saito 等在 Nature 上报道了 KNN 系无铅压电陶瓷的突破性进展以后［3］，该体系被广泛研究。 KNN 可看作是是 KNbO3 铁电体和 NaNbO3 反铁电体的固溶体［4］，具有 ABO3 型钙钛矿结构，其中 K 和 Na 占 据钙钛矿结构的 A 位，Nb 占据钙钛矿结构的 B 位。Egeton 和 Dillon 早在 1959 年就研究了 KNN 陶瓷体系的 压电性能，但他们采用传统固相法制备的（ K0． 5 Na0． 5 ） NbO3 压电陶瓷的压电常数 d33 仅为 80 pC / N，这主要是 因为纯的 KNN 陶瓷很难采用传统方法烧结致密［5］。研究人员采用热压烧结［6］、放电等离子烧结［7］、添加烧 结助剂［8］等方法可以获得高致密度的 KNN 陶瓷，压电性能也均有一定程度的提高。织构化技术也是提高 KNN 无铅压电陶瓷的有效手段之一，Takao 等［9］和刘虎等［10］均采用织构化技术制备出了高取向度的 KNN 陶瓷，相比未织构化的 KNN 陶瓷而言，其压电常数 d33 提高了近 50% 以上。但织构化技术要求制备出可适用 于模板晶粒生长的片状模板晶粒［11，12］，这在一定程度上限制了 KNN 陶瓷织构化技术的发展和应用。从近 十年有关 KNN 系无铅压电陶瓷的相关报道来看，显著提高其压电性能最简单和最行之有效的方法依然是采 用固相法添加第二组元来进行复合掺杂改性。 2． 1 LiNbO3 、AgNbO3 、LiTaO3 和 LiSbO3 掺杂改性
310泛研究的无铅压电陶瓷主要有以下三大体系： 铌酸钾钠（ （ K，Na） NbO3 ， KNN） 系、钛酸铋钠（ （ Bi，Na） TiO3 ，BNT） 系和锆钛酸钡（ Ba（ Zr，Ti） O3 ，BZT） 系。上述三大无铅压电陶瓷体 系的研究在过去十年当中均取得了长足的进步，研究人员成功制备了许多具有实用化前景的陶瓷体系。本 文主要综述了上述三大无铅压电陶瓷体系在性能增强研究方面的进展，并展望他们在未来的发展趋势。