国内外压电陶瓷的新进展及新应用
压电陶瓷的生产工艺技术与应用
压电陶瓷的生产工艺技术与应用摘要：压电陶瓷的发现已经有四十年多年的历史，国内外的研究者在其生产工艺技术的探索上已经做了不少研究。
研究者针对压电陶瓷传统工艺流程中的某些环节进行改进，研究出压电陶瓷的一些特殊生产工艺技术，使其在一些特定范围内更好地发挥作用。
因此，本文将从压电陶瓷的一般工艺展开，引出到目前为止，压电陶瓷的一些其他生产工艺技术，并系统地介绍了压电陶瓷在生产生活中的应用。
关键词：压电陶瓷；生产工艺技术；改进；应用Production technology and applications of piezoelectric ceramics Abstract: The discovery of piezoelectric ceramics have been over forty years in history, the researchers at home and abroad have done a lot of research to explore the production technology of piezoelectric ceramics. The researchers have improved some links of the piezoelectric ceramics' traditional process and come up with some special production technology of piezoelectric ceramics, which have made piezoelectric ceramics wok better in some particular range. Therefore, this paper will launch the piezoelectric ceramics' production technology from general process to, so far, some of the other piezoelectric ceramics' production technology, and introduce the applications of piezoelectric ceramics systematically.Key Words: piezoelectric ceramics；production technology；improve；applications1. 前言1.1 压电陶瓷的研究背景[1]-[8-10]1880年，居里兄弟首先在单晶发现压电效应，这是压电学建立和发展的起点。
压电驱动器研究与应用中的若干新进展
ＫＥＹ ＯＲＤＳ： Ｐ ｅ ｏ ｌｃｒｃ ａ ｔ ａ ｏ ｓ Ｐ ｅ ｉ ｏ ｔｏ ； Ａｐ ｌ ａ ｉｎ； ＵＳ Ｗ ｉ ｚ ｅ ｔ ｃｕ ｔｒ ； ｒ ｃ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｉ ｅ ｐｉ ｔ ｃ ｏ Ｍ
０ 引 言
压 电驱 动 器 以其 尺 寸 小 、线性 好 、控 制 方 便 、
ｗｉ ｅｙ ｕｓ ｄ ｉ ｎ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ ｌ ｉｅ． Ｅｓ ｅ ｉｌ ｄ ｌ ｅ ｎ ｅ ｇｎｅ ｒ ｇ ａ ｄ ｄ ｉ ｌ ｉ ｙ ｆ ｐ ｃａ ｌ ｙ， ｐ ｅ ｏ ｌ ｃｒｃ ｃ ｕ ｔ ｒ ｗｉ ｈ ｒｔ ｆ ｈ ｇ ｉｚ ｅ ｔ ａ ｔ ａｏ ｓ， ｔ ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｏ ｉｈ ｅ ｉ ｈ ｉ ｐ ｅ ｉｉｎ， ｓｍｐｅ ｃ ｎ ｒ ｌｍｅｈｏ ｎｄ ｌｗ ｎ ｒ ｉｓｐ ｔｏ ｒ ｃ ｓｏ ｉ ｌ ｏ ｔｏ ｔ ｄ ａ ｏ ｅ ｅ ｇ ｄ ｓｉ ａ ｉｎ， ｈ ｌ ｙ ｏ ｄ ｍｕｃ ｒ ｍｉｅｆ ｒｔ ｅｆ ｔ ｒ ｆｐ ｅ ｉｅ ｈ ｐ ｏ ｓ ｏ ｈ ｕ ｕ ｅ ｏ ｒ ｃ ｓ ａ ｅ ｉ ｌ ｅ ｖ ｙ ｔ ｎｄ ｆ ｘｂ ｅ ｓ ｒ ｏ ｓ ｓｅｍ． Ｔｈ ａ ｔｃ ｌ ｒａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｐｉｚ ｌ ｃｒｃ ａ ｔ ａｏ ｓ ａ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｉ ｅ ａｌａ ｌ ｅ ｐ ｒｉｕ ａ ｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｏ ｅ ｏ ｅ ｔ ｃ ｕ ｔ ｒ ｒ ｉｃ ｓｅ ｎ ｄ ｔｉ ｓ ｅ ｉ ｗｅ ｌａ ｈ ｏ ｆｇ ｒ ｔｏ ｓ ｒｓ ａ ｐ ｌｃ ｔｏ ｅｄ． Ｆｕ ｈ ｒ ｒ ｌ ｓｔ ｅ ｃ ｎ ｉｕ ａｉ ｎ ｏ ｎｄ ａ ｐ ｉ ａｉｎ ｆ ｌ ｔ ｉ ｔ ｒ ｅ ｍｏ ｅ， ｓ ｍｅ ｎ ｗ ｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｏ ｅ ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ ｒ ｓ ａ ｃ ｎｄ ａ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｏ ｌｃ ｒｃ ａ ｔ ａｏ ｓ ａ ｅ ｓ ｍｍａ ｚ ｄ． ｐ ｌｃ ｔｏ ｐｉｚ ｅ ｔ ｃ ｕ ｔ ｒ ｒ ｕ ｆ ｅ ｉ ｉ ｒ ｅ
压电陶瓷
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+(A m-1B m O3m+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。
压电陶瓷电疲劳研究进展
电疲劳机理 、影响因素等三个方面综述了近年来国 内外在压电陶瓷电疲劳研究方面取得的进展 。 2 压电陶瓷电疲劳
压电陶瓷的电疲劳是指在交变电场循环作用 下 ,压电陶瓷电性能下降 ,表现在电滞回线上则是剩 余极化强度 Pr 和饱和极化强度 Ps 下降 ,通常伴随 矫顽电场 Ec 的增大[4 ,5 ] 。McQuarries[6 ] 报道了 Ba2 TiO3 陶瓷在 60 Hz 交变电场作用下 ,经几周后 ,其电 滞回线从矩形变成螺旋桨叶形 , Pr 和 Ps 都有明显 降低 。Merz 和 Anderson[7]在单晶 BaTiO3 中也观察到 类似的现象 。
Merz 和 Anderson[7]报道正弦波和脉冲波电源对 于 BaTiO3 单晶的疲劳特性有影响 。而 Taylor[12]则发 现当交变电场波形从正弦波变成脉冲波时 , Pb ( Zr ,
宇航材料工艺 2000 年 第 6 期
Sn ,Ti) O3 陶瓷的疲劳特性基本没有变化 ,Stewart 和 看出 ,不同成分的陶瓷 ,其晶体结构不同 ,电疲劳特
以上三种电疲劳机理都能很好地解释各自的实 验结果 ,但是综合以往的研究 ,在实际中 ,压电陶瓷 电疲劳往往不是单一机理起作用的结果 ,而是多种 机理共同存在和共同作用引起 ,在不同的条件下 ,起 主导作用的机理亦有所不同[11 ,16 ] 。 4 压电陶瓷电疲劳影响因素
简述压电陶瓷
简述压电陶瓷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，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的陶瓷材料。
与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。
它具有压电效应。
所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。
前者是指由应力诱导出极化或电场的现象，后者则是由电场诱导出应力或应变的现象，二者统称为压电效应。
目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域，遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。
由此可见压电陶瓷的应用十分广泛，研究意义非常重大。
一些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。
具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。
如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。
此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
目前，我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，材料其中含铅化合物PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的百分之七十左右。
由于含铅化合物在高温时具有挥发性，这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
压电陶瓷驱动电源毕业设计说明书
1.绪论1.1 引言压电陶瓷执行器因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效益高等优点，广泛应用于扫描探针显微镜、自适应/主动光学元件、纳米定位、振动控制、声学、声纳、微流体输送等领域中[1]。
对于压电陶瓷稳定工作很多困难亟待解决，其中最迫切的就是驱动电源，压电陶瓷驱动电源技术己成为目前压电陶瓷执行器应用中的关键技术之一[2]。
1.2 国内外研究现状压电陶瓷执行器驱动电源主要有电压控制型和电流/电荷控制型两种[3]，从实现方式上主要有线性和开关式两种[4]。
电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源有以下几种方式：1）线性直流放大式电源直接采用高压运算放大器的方式具有静态性能好、集成度高、结构简单等优点，但由于高压运算放大器的输出电流一般都小于200mA，因此压电陶瓷执行器的动态性能受到限制。
2）电压跟随式电源此种压电陶瓷执行器驱动电源将电压放大和功率放大分离，驱动级可以提供较高的驱动电流；由于没有直接从输出的电压信号取得采样，前后级之间会产生跟随误差，精度不可能很高；并且在静态时驱动电源仍有较大的功率输出，效率不高，发热严重。
3）误差放大式电源误差放大式驱动电源直接从输出电压取得反馈，可以对电压进行实时监控，同时对电路中的电流进行监控，以保证电路工作在正常的范围之内。
误差放大式电源是电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源的主要形式。
4）开关式电源开关式驱动电源基于直流变化器原理，由于输出级(通常是MOSFET)只工作在开、关两种状态，因而提高了效率，发热小。
但是，目前基于这种原理研制的驱动电源输出纹波电压较大，频率特性差，电路实现也较复杂。
因此，采用开关式电源快速、准确驱动强容性负载仍需要更深入的研究[5]。
电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源源于Comstock和Newcomb与Flinn 的研究工作，由于能降低叠堆型压电陶瓷执行器的滞后现象，实现线性驱动，得到深入研究。
但是电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源存在零点漂移，低频特性差，限制了其应用[6]。
陶瓷／聚合物压电复合材料的国内外概况和应用展望
压 电 陶 瓷／ 聚合 物 压 电 复 合 材 料 类 型 及 制 备 工 艺 简 述
一 、
备 的 陶 瓷 粉 末 纯 度 高 ， 均 匀 性 好 ， 而 且 合 成 温 度 显 著 低 于 传 统 方 法 所 要 求 的 温 度 。 Ｓ ｌｇｌ 艺 是 采 用 ｏ— ｅＩ
金 属 醇 盐 为 原 料 ，通 过 水 解一 合 反 应 生 成 透 明凝 聚
及 极 化 困难 等 。 压 电复 合 材 料 则 克 服 了两 者 的不
足 ， 具 有 强 压 电 性 、 低 脆 性 、 低 密 度 和 低 介 电 系 数 ， 且 易制 得 大 面积 薄 片 以及 复 杂形 状 制 品 ，制 造
工 艺 简单 。
当 前 ， 溶 胶 一 胶 （ ｌｇ１ 凝 ｓ —ｅ ｏ ）工 艺 在 制 造 精 细 陶 瓷 粉 末 方 面 受 到 人 们 特 别 的 注 意 ， 采 用 这 种 方 法 制
陶瓷 粉 末 。
材 料 的不 同 的连 通 方 式 ， 压 电陶 瓷／ 合 物 复 合 材 聚 料 有 １ 种 类型 ， 按 照 第 一个 数 字代 表 压 电陶瓷 的连 ０ 通维 数 ，第 二 个 数字 代 表 聚合 物 的连 通 维 数 ， 即０ —
０， ０—１ ０—２ ，
，
二、几种 聚合 物复合 材料 的特性 简介
无铅压电陶瓷研究进展
质 ， 生 产 、 用 及 废 弃 后 的 处 理 过 程 中 ， 会 在 使 都 给 人 类 和 生 态 环 境 造 成 损 害 。Ｐ Ｏ 的 挥 发 也 ｂ 会 造 成 陶 瓷 中 的 化 学 计 量 比 的偏 离 ， 产 品 的 使
一
Ｂ Ｔｉ 。 ａ Ｏ 研究 体 系 主要 有 ： １ （ 一ｘ Ｂ Ｔｉ 。 （ ） １ ） ａ Ｏ 一ｘ Ｏ （ ＡＢ ３ Ａ—Ｂ 、 ａ ； — Ｚ 、 ｎ ＨｆＣ 等 ） ａ Ｃ 等 Ｂ ｒＳ 、 、 ｅ ；
维普资讯
第 ５ 期
王 红 丽 ， 艳 改 ： 铅 压 电 陶 瓷研 究 进 展 刘 无
３ １
３ 铌 酸 盐基 压 电陶瓷
铌 酸 盐压 电 陶瓷无铅 无铋 ， 具有 密度 小 ， 学 声
Ｋ Ｌ Ｏ 。 。钨 青铅 型 自发 极 化强 度大 、 里 ｉ 。 。） Ｎｂ 居 温 度高 、 电常数 低 ， 铁 电 、 电 、 释 电 、 线 介 在 压 热 非 性 光学 等方 面性能 十分优 越 ， 得到 广泛关 注 ， 尤其 对该 体 系 陶瓷进 行 掺杂 或 取 代 的改 性 ， 现 在研 是
Ｂ Ｔ Ｏ。 究 比较 成 熟 ， 并 不 能 替 代 Ｐ Ｔ ａｉ 研 但 Ｚ
陶 瓷在压 电铁 电领域 的广 泛应 用 。主要是 因为 以 下不 足 ： １ 居 里 点 不 高 （ １ ０ ， 能 的 时 （） Ｔ 一 ２ ℃） 性
和化学稳 定性 等优 点 ， 已广 泛 用于 电子 、通信 、 航 空 、 电、 发 探测 、 冶金 、 计算机 等诸 多领 域［ 。 ４ ］
（ ） 电 性 能 与 含 铅 系 列 陶 瓷 相 比 ， 有 一 定 差 ３压 还
距， 且难 以通 过掺 杂 改 性 大 幅度 改 善 其 性能 ； ４ （） 需 高温烧 结 （ ３ ０ １ ５ ℃） 且 烧 结存 在 一 定 难 １０ ～ ３ ０ ，
无铅压电陶瓷行业发展现状及潜力分析研究报告
无铅压电陶瓷的重要性
环保需求
随着全球环保意识的提高，无铅压电 陶瓷作为无铅环保材料，符合绿色环 保发展趋势，具有广阔的市场前景。
技术进步
无铅压电陶瓷技术的不断进步，推动 了相关领域的技术创新和产业升级， 为行业发展注入了新的活力。
无铅压电陶瓷的历史与发展
历史
无铅压电陶瓷的研究始于20世纪末，经过多年的研究和发展，技术逐渐成熟， 应用领域不断扩大。
02 03
换能器
无铅压电陶瓷在换能器领域也有广泛应用，如超声波探伤、清洗、焊接 等。与传统的含铅压电陶瓷相比，无铅压电陶瓷具有更高的工作温度和 更长的使用寿命。
其他应用
无铅压电陶瓷还可应用于电子陶瓷、能量转换等领域，具有广阔的应用 前景和市场潜力。
01
无铅压电陶瓷行业 发展趋势状及潜力分析研 究报告
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
汇报人：XXX
20XX-XX-XX
目录CONTENTS
• 无铅压电陶瓷行业概述 • 无铅压电陶瓷行业市场现状 • 无铅压电陶瓷技术发展现状 • 无铅压电陶瓷行业发展趋势与潜力
目录CONTENTS
市场需求
随着电子、通信、能源等领域的快速发展，无铅压电陶瓷在声学、振动、压力传感等领域的应用越来越广泛，市 场需求持续增长。
预测
根据市场调研和数据分析，预计未来几年无铅压电陶瓷市场需求将保持稳定增长，尤其在智能家居、汽车电子、 医疗器械等领域有较大发展空间。
行业发展趋势
技术创新
无铅压电陶瓷行业正不断加大研发投 入，推动材料、工艺和性能等方面的 技术创新，以提高产品性能和降低成 本。
无铅压电陶瓷的压电性能
无铅压电陶瓷是指不含铅元素，具有优异压电性能的陶瓷材 料。与传统的含铅压电陶瓷相比，无铅压电陶瓷具有更高的 压电系数、更稳定的物理性能和更广泛的应用前景。
BT基无铅压电陶瓷的最新进展
BT基无铅压电陶瓷的最新进展戴中华;谢景龙;琚思懿;刘卫国【摘要】BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷因其较高的相对介电常数、优良的铁电、压电、热释电、耐压和绝缘等性能,在目前无铅压电陶瓷几大体系中有巨大应用前景.近年来,关于该体系材料的改性制备研究的报道越来越多,本文着重于从离子掺杂改性、多组元改性、烧结助熔剂改性及纳米粉体制备四个方面介绍了BT基压电陶瓷的最新研究进展.总结了各种添加剂对BT基无铅压电陶瓷体系压电性能的影响机理和规律,介绍了当前制备工艺对其微观结构和压电性能改性的研究成果,并展望了BT基无铅压电陶瓷体系的发展趋势.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)008【总页数】9页(P1-9)【关键词】无铅压电陶瓷;BaTiO3;综述;掺杂改性;低温烧结;压电性能;纳米级粉体制备【作者】戴中华;谢景龙;琚思懿;刘卫国【作者单位】西安工业大学陕西省薄膜与光学检测技术重点实验室, 陕西西安710021;西安工业大学陕西省薄膜与光学检测技术重点实验室, 陕西西安 710021;西安工业大学陕西省薄膜与光学检测技术重点实验室, 陕西西安 710021;西安工业大学陕西省薄膜与光学检测技术重点实验室, 陕西西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TN304压电材料作为一种能够实现电能-机械能转换的功能材料,因其优异的铁电、介电和压电性能已在驱动器、传感器、谐振器、超声换能器、滤波器等电子元器件中得到广泛应用[1-2]。
自1950年发现锆钛酸铅 (PZT)压电陶瓷以来,市场上所使用压电陶瓷大部分为铅基材料。
由于原料中PbO是一种有毒物质,在生产过程中,其粉末以及高温下挥发出的气体易造成环境污染和危害人类健康;在烧结过程中PbO易挥发导致组分偏离,也使材料重复性和一致性降低。
寻找能够全面代替Pb(Ti,Zr)O3(PZT)的高性能无铅压电材料已成为世界性的紧迫课题[3]。
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第25卷第4期 硅 酸 盐 通 报V o.l 25 N o .4 2006年8月 B U LLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY A ugust ,2006国内外压电陶瓷的新进展及新应用李晓娟,李全禄,谢妙霞,郝淑娟,杨贵考,周九茹,马 晴(陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062)摘要:主要综述了近年来国内外压电陶瓷材料的最新进展和最新应用状况,以及为使压电陶瓷材料更充分应用于生产实践中所采取的一系列改性措施,其中包括锆钛酸铅(PZT )压电陶瓷、不含铅的铋层压电陶瓷、钛酸铋钠(BNT )压电陶瓷及钛酸钡(BaT i O 3)压电陶瓷系统。
最后,还简要介绍了压电陶瓷材料未来的发展趋势。
关键词:压电陶瓷材料;新进展;新应用;发展趋势N e w H ead ways and N e w App licati ons of P iezocera m icsatH o m e and AbroadLI X iao -Juan,LI Quan-Lu,X I E M iao -X ia,HAO Shu-Juan,Y ANG Gui -kao ,Z HOU J i u -ru,MA Q i n g(School of Phys i cs and I n for m ati on Technol ogy ,ShaanxiN or m alUn i vers i ty ,X i p an 710062)Abst ract :This paper summ arizes the ne w headw ay and ne w applicati o n of piezoelectric cera m ic m aterialsat ho m e and abroad in recent years ,and a series of i m prove m ents in order to m ake the m fully applied i nthe producti o n w ere pr oposed ,i n cluding the p iezoelectric cera m ic o f PZT w ith lead,the l e ad -freepiezoelectric cera m ic w ith b is muth layer struct u re ,t h e p iezoelectric cera m ic of B NT and p iezoelectriccera m ic Ba T i O 3.I n addition ,ne w deve l o p m ent trends o f p iezoelectric cera m ic were i n troduced .K ey w ords :p i e zoelectric cera m ic m ateri a ls ;ne w headw ay ;ne w applicati o n ;deve lopm ent trend基金项目:国家自然科学基金资助项目(10374064);陕西省教育厅专项科研计划资助项目(03J K061).作者简介:李晓娟(1978-),女,硕士.从事压电陶瓷材料及器件研究. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等[1~3]。
随着现代电子信息技术的飞速发展,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。
目前,在性能改进方面主要采用2种方法[4~6]:一种是掺杂改性,即掺杂某种改性离子;另一种是改进制备工艺。
本文将对国内外压电陶材料的最新研究进展及最新应用情况做一扼要的综述,其中包括含铅压电陶瓷与无铅压电陶瓷系统;并对压电陶瓷材料未来的发展动态进行了展望,目的在于使相关科研与教学人员能注意到该领域新的发展状况及有待解决的问题。
1 压电陶瓷的基本物理性质1.1 介电性及弹性性质压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用介电常数E 来表示。
在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系P _=E 0V E _[7]表示,P _为极化强度,E 0为真空介电常数,V 为电极化率,E _为外加电场。
不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。
例如,压电陶瓷扬声器等音频102 综合评述硅酸盐通报 第25卷元件要求陶瓷的介电常数要大,而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。
压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。
压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律[7]:X mn =c mnpq x mnpq ,式中c mn pq 叫做弹性体的弹性硬度常数,X 为应力,x 为应变。
对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。
1.2 压电陶瓷的压电性压电陶瓷最大的特性是具有压电性,包括正压电性和逆压电性。
正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。
在外力不太大的情况下,其电荷密度与外力成正比,遵循公式:D _=d T _[8]。
其中D 为面电荷密度,d 为压电应变常数,T 为伸缩应力。
反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化,由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。
当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系,遵循公式:x _=d t E_[7]。
d t 为逆压电应变常数,即d 的转置矩阵,E _为外加电场,x _为应变。
压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K 表示,遵循公式[9]:K =u 212u 1#u 2其中u 212为压电能,u 1为弹性能,u 2为介电能。
1.3 压电特性的物理机制[10]我们知道经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷,所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。
如图1所示。
当给陶瓷片施加一外界压力F 时,片的两端会出现放电现象,如图2所示。
相反加以拉力会出现充电现象。
这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
图1 陶瓷片内的束缚电荷与电极上的自由电荷示意图F ig .1 Ske tch m ap of bound charge i n cera m i cs and freecharg e on po le 图2 正压电效应示意图F i g .2 Sketchmap o f d i rect p i ezoelectric effect图3 逆压电效应示意图F i g .3 Sketch m ap o f converse p i ezoe lectr i c e ffect 另外,压电陶瓷具有自发极化的性质,而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。
因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图3所示的变化,压电陶瓷会有变形。
然而,压电陶瓷之所以会有变形,是因为当加上与自发极化相同的外电场时,相当于增强了极化强度。
极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。
相反,如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。
这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。
2 压电陶瓷的性能改进及应用2.1 含铅压电陶瓷低温烧结及性能改进二元系锆钛酸铅Pb(Zr x T i 1-x )O 3(简称PZT)压电陶瓷的压电性能和温度稳定性以及居里温度等都大大优越于其他陶瓷,更重要的是PZT 还可以通过改变组分或变换外界条件使其电物理性能在很大范围内进行第4期李晓娟等:国内外压电陶瓷的新进展及新应用103调节,如三元系,四元系等,以适应不同需要[11]。
因此很快成为国内外学者研究的主要对象。
以PZT为基压电陶瓷烧结温度一般都比较高,约为1200~1300e。
然而,氧化铅(PbO)的挥发温度为800e左右。
这样,在烧结过程中很容易造成氧化铅的挥发,不能保证烧结过程处于铅气氛中,势必影响陶瓷性能[12]。
针对这一点,曾有人提出在最初配料时加过量Pb3O[13]4,然后把样品放在密闭的坩埚内,目的在于保证烧成处于铅的气氛中。
该方法虽然保证了陶瓷的性能,但却忽视了氧化铅是一种易挥发的有毒物质。
Ryn等[14]认为提高升温速率,可以降低氧化铅的挥发。
这种方法不足之处在于:第一,不能完全消灭氧化铅的挥发;第二,未考虑到烧结温度对晶粒尺寸的影响。
因为温度越高、晶粒尺寸越大,在同样的保温条件下,过大的晶粒尺寸将会导致压电性下降。
如果能够从降低烧结温度及升温时间方面进行工艺改进,这样既能减少氧化铅的挥发,又能有效控制晶粒尺寸过分增长,同时又节约了能源。
目前,低温烧结方法主要有[15]: so-l gel、热压法、超细粉体制备及添加助熔剂法。
JI N等[15]将L i2O掺杂在0.2[Pb(M g1/3Nb2/3)]-0.8[PbT i O3-PbZr O3]中,目的是降低烧结温度。
实验发现,在950e低温下合成了性能良好的压电体,如L i2O质量分数为0.1%时,d33、k33、k p、tan D最佳值分别为565pC/N、77.92%、63.7%、0.022。
以x Pb(M g1/3Nb2/3)O3-y Pb (N i1/3Nb2/3)O3-z Pb(Zr,T i)O3为基体并适量掺杂ZnO、Li2CO3、CdO等,所制备出的P MN-PNN-PZT压电陶瓷在900e以下烧结仍具有良好的压电性[16,17]。
使用掺杂助熔剂进行性能改进是最基础的改进方法,如共沉淀法、溶盐法、溶胶-凝胶法、水热法等。
可是这些方法的缺点在于容易使PbO挥发、引起第二相、而且生产过程困难等。
为了克服这些不足,一些方法已被提出:如2阶段煅烧法、加入钙钛矿添加剂等。
Anan ta等[18]通过采用2步烧结法在低温条件下(800e和830e)成功制备出了高致密度、高压电性能、低介质损耗的P MN、PF N压电陶瓷。
这种方法既减少氧化铅的挥发又不会引起第二相产生,而且节约能源。
C HU等[19]在他的文章中,特别对传统的低温烧结方法进行了评价,提出了钙钛矿添加剂低温烧结法,并且通过实验加以验证。
实验方法是:在0.25Pb(N i1/3Nb2/3)O3-0.75Pb(Zr0:52T i0:48)O3中加入B i F e O3和B a(Cu0:5W0:5)O3在850e和950e合成了PNN-PZT-A基陶瓷。
与传统压电陶瓷相比,PNN-PZT-A基陶瓷的烧结温度降低了300 ~350e,且具有良好的介电性(E r=4091)。