碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷性能及应用精品PPT课件
压电陶瓷及其应用培训资料
超声波发生器
利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声波，广泛应用于无损检测、医疗成像等领域 。
麦克风
利用压电陶瓷的压电效应，将声音转化为电信号，用于语音识别、录音等场合。
振动控制
振动隔离
通过控制压电陶瓷的形变，实现精密 仪器的振动隔离，提高测量精度。
振动主动控制
利用压电陶瓷的逆压电效应产生反作 用力，对结构振动进行主动控制，提 高结构的稳定性。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过微加工 技术进行加工和集成，实 现小型化和高精度。
压电陶瓷的发展历程
早期发展
20世纪初，科学家开始研 究压电陶瓷，并逐渐应用 于声呐、无线电等领域。
中期发展
随着科技的发展，压电陶 瓷在传感器、换能器等领 域的应用逐渐增多，性能 也不断提高。
近期发展
随着新材料和加工技术的 发展，压电陶瓷在微纳尺 度、智能传感器等领域的 应用越来越广泛。
电子听诊器
压电陶瓷在电子听诊器中作为传感器，将心跳或呼吸产生的 机械振动转换为电信号，用于医学诊断。
电子听诊器具有操作简便、准确度高、可重复性好等优点， 广泛应用于临床医学和家庭保健领域。
05
压电陶瓷的未来展望
新材料与新工艺的发展
新型压电陶瓷材料
随着科技的不断进步，新型压电陶瓷材料如纳米压电陶瓷、高温压电陶瓷等将不断涌现，为压电陶瓷 的应用提供更多可能性。
压电陶瓷及其应用培 训资料
目录
• 压电陶瓷简介 • 压电陶瓷的工作原理 • 压电陶瓷的应用领域 • 压电陶瓷的应用实例 • 压电陶瓷的未来展望
01
压电陶瓷简介
压电效应与压电陶瓷
压电效应
某些材料在受到外部压力时会产生电 场，这种现象称为压电效应。利用压 电效应制作的陶瓷称为压电陶瓷。
压电陶瓷ppt课件
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THANKS
造传感器和换能器。
工作模式二
压电陶瓷可以在交变电场下工作， 产生交变的机械振动，用于制造超 声波设备和振动器。
工作模式三
压电陶瓷可以在高电压、大电流下 工作，产生强烈的机械振动或变形 ，用于制造大型驱动器和执行器。
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照配方称取适量的原料，如钛 酸钡、二氧化锆、氧化镁等。
04
压电陶瓷的性能参数
电学性能
介电常数
衡量压电陶瓷在电场作用下极化 程度的物理量。介电常数越大， 极化程度越高，压电效应越明显
。
绝缘电阻
反映压电陶瓷内部绝缘性能的参 数。高绝缘电阻表明陶瓷内部缺
陷少，性能稳定。
电致伸缩系数
衡量压电陶瓷在电场作用下产生 的机械应变能力的物理量。电致 伸缩系数越大，机械应变能力越
压电陶瓷的特性
高压电性能
压电陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系 数，能够将微小的机械形变转换为较大的电 能或机械能。
温度稳定性
压电陶瓷具有较好的温度稳定性，可以在较 宽的温度范围内保持稳定的性能。
可靠性高
压电陶瓷具有较高的机械强度和稳定性，不 易疲劳压电陶瓷的振动和换能特性，可以将太阳能转换为电能，提高太阳能利用率 。
压电陶瓷在风能发电中的应用
压电陶瓷可以作为风能发电机的传感器和换能器，实现风能的高效利用。
压电陶瓷在其他领域的应用探索
压电陶瓷在医疗领域的应用
压电陶瓷在医学领域具有广泛的应用前景，如超声成像、药物传递等。
压电陶瓷在环保领域的应用
利用压电陶瓷的振动特性，制造出声 波发生器、超声波探头等声学器件。
碱金属元素PPT精品课件
2. 纸的发明 西汉前期，人们从“积漂絮成絮 片”中得到启示，发明了纸
西汉早期麻纸（甘肃放马滩出土） （质脆、书写不流畅）
二、医学
张仲景 东汉末年
著名的医学家。著有 《伤寒杂病论》，全面 阐述了中医理论和治病 原则，奠定了我国中医 治疗的基础。后世尊称 他为“医圣”。
《伤寒杂病论》书影
医圣——张仲景
轻微的爆炸，遇水立即燃烧，遇水立即燃烧，
生成H2
爆炸
爆炸
递变性 反应由剧烈到更剧烈，生成的氧化物由简单到复杂
结论
金属性逐渐增强
化学性质
碱金属原子最外层电子数都为1， 容易失去电子被氧化，具有较 强的还原性。并且，从Li到Cs， 随着核电荷数的逐渐增多，电 子层数逐渐增多，原子半径逐 渐增大，核对外层电子的引力 逐渐减弱，失电子的能力逐渐 增强，金属性逐渐增强。
3. 蔡伦改进造纸术
公元105年，蔡 伦改进造纸术。他用 树皮、麻头、破布和 旧鱼网做造纸原料， 扩大了原料来源，降 低了造纸的成本，同 时又提高了纸的产量 和质量。从此，纸逐 步取代竹木简和帛。 为纪念蔡伦的功绩， 人们把这种纸叫作 “蔡侯纸”。
科技领域 代表人物 时 期
主要成就
造纸术
劳动人民
按从Li到Cs的顺序
核电荷数逐渐增大 核外电子层数逐渐增多 原子半径逐渐增大
碱金属原子半径与离子半
径有何关系？
以钠为例：
Na
Na+
图示：
结论：原子半径大于相应 的阳离子半径
原子结构
Li Na K Rb Cs
相同点 递 变 性
最外层都有1个电子 核电荷数逐渐增大
电子层数逐渐增大 原子半径逐渐增大
碱金属元素物理性质有哪 些相同点？
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究进展
第23卷 第2期2009年 5月山 东 轻 工 业 学 院 学 报J OURNAL OF S HANDONGI NS T I TUTE OF L I GHTI NDUS TRY Vo.l 23 No .2M ar . 2009收稿日期:2009-03-20基金项目:济南市科学技术发展计划项目(046039)作者简介:郑凯(1985-),男,山东省泰安市人,山东轻工业学院材料科学与工程学院硕士研究生,研究方向:功能陶瓷.文章编号:1004-4280(2009)02-0013-04铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究进展郑 凯,沈建兴,范战彪,马 元(山东轻工业学院材料科学与工程学院,山东济南250353)摘要:铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究和开发是当前压电铁电材料领域的研究热点之一。
本文结合近期国内外有关无铅压电陶瓷论文,综述了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的性能和改性方法,简介了几种最先进的制备方法,并分析了无铅压电陶瓷发展趋势。
关键词:铌酸盐;无铅压电陶瓷;掺杂;改性中图分类号:T M225 文献标识码:AR esearch and advances of the KNbO 32Na NbO 3base lead 2free p iezoelectric cera m icsZ HENG Ka,i S HEN Jian 2xing ,F AN Zhan 2biao ,MA Yuan(Scho ol ofM ater i a l Sc i ence and Engi neeri ng ,Shandong Institute of Lig h t Industry ,Jinan 250353,Ch i na)Abstr act :The research and deve lopment ofKNbO 32N a N bO 3base lead 2free piez oe lectric cera m ics is hot i n the fie l d of p i e zoe lectric and f err oe lectric materia ls .Th is paper revie ws the perf or mance and mod ifi e smethods of the KNbO 32N a N bO 3base lead 2f ree piez oe l e ctric cera m ics ,introduces several latest preparation methods briefl y ,and ana l y zes the development trend of lead 2free p iezoelectric cera m ics .K ey w ord s :n i o bate ;l e ad 2free p iezoelectric cera m ics ;doped ;mod ified0 引言压电陶瓷材料在压电材料中的用途最广、最频繁,是一类极为重要的国际竞争激烈的高技术新型功能材料,在当今信息工业时代,压电陶瓷材料在电子学、光电子学等诸多高科技领域应用甚广,如在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用,其销售额在整个电子功能陶瓷材料的世界贸易市场中的份量多于1/3[1,2]。
压电陶瓷ppt课件
三、压电陶瓷的应用
1880~1940：压电晶体； 上世纪40年代中期：BaTiO3压电陶瓷问世； 由于压电陶瓷具有突出优点，包括： 制造方便，设备简单，成本低廉，不受尺寸大小限制，可
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
7
锆钛酸铅（PbTiO3—PbZrO3，缩写PZT）陶瓷: Tc>300℃, 在 -50℃ ～ 300℃ 范 围 内 无 相 变 点 ， 压 电 常 数 比 BaTiO3大二倍多，因此，它是目前品种最多，产量最大，应 用最为广泛的压电陶瓷。
1. 压电效应
无铅压电陶瓷
无铅压电陶瓷一、引言压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料。
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，被广泛应用于卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域。
然而，目前所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总质量的70%左右。
由于PbO、Pb3O4等含铅化合物在高温时的挥发性，这些陶瓷在生产、使用及废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
如果对含铅陶瓷器件回收实施无公害处理，所需成本也会很高。
另一方面，PbO的挥发也会造成陶瓷的化学计量比偏离配方中的化学计量比，造成产品的一致性和重复性降低。
因此，研制和开发对环境友好的无铅压电陶瓷成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。
二、压电陶瓷及其特性、应用2.1 压电陶瓷压电陶瓷属于无机非金属材料。
它是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结固相反应后而成的多晶体并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，这是一种具有压电效应的材料。
在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。
电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。
用压电陶瓷把电能转换成超声振动。
可以用来探寻水下鱼群的位置和形状对金属进行无损探伤以及超声清洗、超声医疗还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁对塑料甚至金属进行加工。
无铅压电陶瓷，又被称为环境友好压电陶瓷，其直接表层含义指不含铅、又具有满意的高的压电性能的压电陶瓷材料。
目前国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要包括：BaTiO3基无铅压电陶瓷，(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷，铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐基无铅压电陶瓷（包括钙钛矿结构的碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐）。
〈碱金属元素〉精品PPT教学课件
日期：
演讲者：蒝味的薇笑巨蟹
沾取另一种待测 物灼烧观察焰色
存放
例: K (K+ ): 紫色 (透过蓝色钴玻璃) Na (Na+) 黄色 Li (Li+) : 紫红色 Ca ( Ca2+) 砖红色 Ba (Ba2+) : 黄绿色 Cu(Cu2+) 绿色
2020/12/6Fra bibliotek2应用 : A , 鉴定 K ,Na 等元素 B,节日燃放的焰火
肥料
农家肥 化肥 (氮肥 , 磷肥 , 钾肥 , 复合肥)
草木灰: 有效成分 K2CO3 (主要) , KCl , K2SO4 .
2020/12/6
3
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2020/12/6
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3、焰色反应：
定义： 多种金属及它们的化合物在灼烧时使火焰呈现 特殊的颜色
用品: 铂丝 (或铁丝) ,酒精灯 ,火柴 ,蓝色钴玻璃 , 盐酸, 待 检物 (溶液或固体)
步骤: 点燃酒精灯
沾取待测物灼 烧观察焰色
用盐酸洗净铂 丝 ,灼烧至原色
灼烧铂丝至原色
用盐酸洗净铂 丝 ,灼烧至原色
第三节 碱金属元素
1、碱金属的物理性质及变化规律 ( Li→Cs )
①色状： 银白色金属 （Cs 略带金色光泽） ②硬度： 柔软 ，有展性（大→小) ③密度： 小→大 (Li ,Na , K ＜1 ; Rb, Cs ＞1 ) ④熔、沸点： 高 → 低 ， ⑤导性: 热 、电的良导体
2、化学性质：
都是活泼的金属，从Li到Cs金属性增强， 铯是最活泼的金属 K，Rb ，Cs 等和O2反应一般生成过氧化物 或 超氧化物 。碱 金属的氢氧化物 都是强碱 ，碱性逐渐增强 ，CsOH 的碱性最 强。
北京科技大学科技成果——高性能铌酸盐基无铅压电陶瓷
北京科技大学科技成果——高性能铌酸盐基无铅压电陶瓷项目简介压电陶瓷是实现各类机电耦合元器件的一种重要功能材料，广泛应用于各种电子信息产品中，其应用已遍及日常生活中的每个角落，小到打火机、煤气灶、热水器的点火器，大到音响喇叭、超声清洗机的振子、医用B超的探头、军用声纳元件等，用途广泛。
但目前使用的压电陶瓷都含铅，对环境有害。
本项目提供一种铌酸盐基无铅压电陶瓷的成分配方与制备技术，压电性能国际领先，不含任何有毒有害元素，是完全环境友好型新材料。
制备方法简单、时间短、成本低、适用于工业大规模生产。
目前申请的发明专利有：（1）一种铌酸钠钾锂基无铅压电陶瓷及其制备方法，中国专利，公开号：CN101062864；（2）一种低温合成镁掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及制备工艺，中国专利，公开号：CN101066868A。
在当今社会中，压电材料的应用已遍及日常生活的每个角落。
例如点燃香烟用的打火机、做饭用的煤气炉、手机的震动马达、汽车发动机的点火器、电子手表的压电谐振器、自动门上的声控门、报警器以及儿童玩具上用的压电蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理，以及侦察、破案等要用能验证每个人笔迹和声音特征的压电力敏传感器等。
家用电气产品要用压电器件，如电视机要用压电陶瓷滤波器、压电变压器和压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器和压电马达；收音机要用压电陶瓷滤波器和高保真压电喇叭；电唱机要用压电拾音器和压电马达；闪光灯要用压电高压发生器等。
经济效益及市场分析近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长，据资料统计，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。
2000年中国压电陶瓷专业生产单位150个以上，压电陶瓷年产量超过300吨，各类元器件的总量达5亿件。
在2000-2005年间仅美国就保持每年8.4%的增长速率，2005年美国的压电陶瓷销售29.4亿美元。
随着IT技术的快速发展，压电陶瓷在电子信息﹑移动通讯、计算机及电子医疗器件等领域的应用将不断扩大。
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❖ 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。
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自发极化与铁电畴（Ferroelectric Domains）
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
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束缚电荷和感应电荷
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铁电性 （电滞回线）
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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
1.1 压电效应及其形成原因
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
电能
正压电效应 逆压电效应
机械能
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压电体（Piezoelectrics）：具有压电效应的介质
(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3
BNT-BT体系
(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xNaNbO3
BNT-NaNbO3体系
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2.3 铋层状结构无铅压电陶瓷简介
由二维的钙钛矿层和(Bi2O2)2+层有规则地相负交 替排列而成的化合物
——其化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-。
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
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❖ 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，
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
无铅压电陶瓷简介 无铅压电陶瓷主要体系 KNN基无铅压电陶瓷 KNN基无铅压电陶瓷的制备工艺 KNN基无铅压电陶瓷的应用前景
P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）
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❖ 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
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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
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石英晶体的压电模型
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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
化学物理性质稳定性和陶瓷致密性欠佳 ——因此，单纯的BNT陶瓷难以实用化。
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BNT基无铅压电陶瓷的改性体系
(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.5K0.5TiO3 BNT-BKT体系
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
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罗马帝国亡于铅中毒？
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唐太宗死于炼丹术？
传统压电陶瓷PZT
无铅压电陶瓷
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1.3 无铅压电陶瓷的发展历史
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。
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2.2 BNT基无铅压电陶瓷简介
传统的陶瓷制备技术难以得到高性能的陶瓷。
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2. 无铅压电陶瓷的主要体系
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2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷简介
钙钛矿结构ABO3型化合物
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❖ 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。
❖ 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
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❖ 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