国内外压电陶瓷的新进展及新应用_李晓娟
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。
无铅压电陶瓷的研究进展
无铅压电陶瓷的研究进展罗帆材料学院材控0811班U2008xxxxx摘要：本文概述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料的研究现状, 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进展, 并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。
关键词：无铅压电陶瓷，钛酸钡基，钛酸铋钠基，铋层状结构，碱金属铋酸盐，钨青铜结构正文：压电陶瓷是重要的高科技功能材料，它被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等领域。
但是，由于目前使用的压电陶瓷大多都是含铅的，如最常用的以Pb（Ti，Zr)O(PTZ)为基的多元系陶瓷，3其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%左右。
PbO有毒，在烧结温度下易挥发，不仅危害人体，而且会使其化学计量式偏离其计算配方，进而使产品一致性和重复性降低, 导致陶瓷性能下降。
因此，无铅基压电陶瓷将显示其良好的环境友好性而被越来越多的研究和应用。
到目前为止，无铅压电陶瓷体系主要有五大类：①钛酸钡(BaTiO) 基无铅压电陶瓷; ②钛酸铋钠基无铅压电陶瓷; ③铋层状结3构无铅压电陶瓷; ④碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷; ⑤钨青铜结构无铅压电陶瓷。
由于各类材料的结构和功能各不相同，下面将分别予以介绍。
钛酸钡基无铅压电陶瓷Ba TiO（BT）是最早发现的无铅压电材料，对它的研究已相当3成熟，最初用于压电振子材料。
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。
近年来，通过对钛酸钡的位置取代和掺杂改性，钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究体系主要包括：(1) (1-x) BaTiO-xAB3O(A=Ba、Ca 等; B=Zr、Sn、Hf、Ce等);3(2) (1-x) BaTiO-xA′B′3O(A′=K、Na 等; B′=Nb、Ta 等) ;3(3) (1-x) BaTiO-xA0.5〞Nb3O(A〞= Ba、Ca、Sr 等)。
压电陶瓷的市场应用
压电陶瓷，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。
这是一种具有压电效应的材料。
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号；它在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一；频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，在多路通信设备中能提高抗干扰性等。
工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。
下面主要介绍一下压电陶瓷在市场中的广泛应用：1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。
像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。
如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。
压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。
例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。
2、压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。
然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。
反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。
这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。
3、压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。
只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。
所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。
4、防核护目镜核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s 里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。
压电陶瓷发展前景及应用
压电陶瓷的概念及发展应用摘要：压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。
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。
本文主要介绍压电陶瓷的概念和应用范畴、应用实例、前景，带领大家了解陶瓷家族中的一员----压电陶瓷。
关键词：陶瓷压电陶瓷压电效应应用范畴应用实例一、基本概念压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、和电能互相转换的功能陶瓷材料，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。
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。
二、压电陶瓷的应用范畴利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。
用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。
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。
压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。
利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。
1、在军事上，在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。
它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。
在这种声纳系统中，有一双明亮的"眼睛"--压电陶瓷水声换能器。
当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。
压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势_李环亭
现 代技术 陶瓷
的驱动力 , 更好的压电性能 。 P Z T 压电厚膜材料 已被广泛地应用于制造微型机械泵 、 厚膜微致动 器 、高频声纳换能器 、压力传感器 、微机械谐振 器 、压电加速度转换器 、 新型超声复合换能器 、 弹性波传感器 、 光纤调制器 、压电多层致动器 、 微 电子机械系统 ( M E M S ) 器件等
价值的压电陶瓷 , 这是压电材料的一个飞跃 。 1955 年 J a f f e 等在系统地研究各种钙钛矿型 化合物固 溶体 性能 和结 构 的基 础上 , 发 现 P Z T ( 锆钛酸铅 ) 压电陶瓷在因成分变化引起的所谓 准同型相界或同质异晶相变成分 ( X= 0. 52 ) 附 近 , 四方相和三角相共存 , 相变激活能低 , 只要在 微弱电场的诱导下 , 就能发 生晶相结构的 转变 , 极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数 , 压电常数是 B a T i O 3的两倍 , 且其各方面的性能比 B a T i O 3陶瓷好得多 , 具有 耦合系数 大 、压电 性更 强、 居里温度高和可通过变更成分在很大范围内 调节性能以满足多种不同需要等优点 。 因此 , P Z T 压电陶 瓷一经出现就 得到各国研究者 的重 视 , 并迅速在电子 、光 、热 、声等领域得 到广泛的 应用 。 1965 年松下电器公司的研究人员在 P Z T 的 组成中加入 P b ( M g b O 铌镁酸铅 ) , 试制 1/ 3 N 2/3 ) 3( 成功了三元系压电陶瓷 , 取 名为 P C M 。 此后 ,
2009年第 2 期 ( 总第 120期 )
碍了极化 , 使 Q m提高 。 当掺杂量超过一定量时 , M n 除了进入晶格之 外 , 多余的部分聚 集在晶界 处 , 阻碍了晶粒的生长 , 降低了晶粒分 布均匀性 和晶粒强度 , Q 相对降低 。 m
压电陶瓷发展前景及应用
压电陶瓷发展前景及应用压电陶瓷是一类具有压电效应的陶瓷材料，具有机械压力或电场作用下产生电荷分布的能力。
它具有优异的压电性能，可以用于传感、驱动和控制等领域，因此在科学研究和工业生产中有着广泛的应用前景。
压电陶瓷的发展前景十分广阔。
首先，随着科学技术的不断进步和需求的不断增长，对于高性能压电材料的需求也在不断增加。
压电陶瓷作为一种应用广泛、性能优越的压电材料，能够满足高精度、高灵敏度等要求，因此在未来的发展中，将会得到更多的研究和开发。
其次，随着信息技术的快速发展，压电陶瓷作为传感器和驱动器的重要组成部分，将在电子设备、通信设备以及高科技领域中扮演更加重要的角色。
再者，随着工业自动化程度的不断提高，对于快速响应、高效驱动的需要也在不断增加，而压电陶瓷正是满足这些需求的理想选择，因此在自动化控制领域的应用前景也是十分广阔的。
压电陶瓷的应用也非常广泛。
首先，压电陶瓷可用于传感领域。
压电传感器是一种将力、形变、压力等物理量转化为电信号的装置，广泛应用于机械、航空航天、化工、生物医疗等领域。
其次，压电陶瓷可用于驱动器领域。
压电陶瓷作为驱动装置可以将电能转化为机械能，并以极高的速率进行物体的振动、运动等。
因此，在精密定位、超声成像、机器人等领域有着重要的应用价值。
再者，压电陶瓷可用于控制领域。
通过利用压电效应，可以实现对电场、声场、机械场等的精确控制，从而用于实现频率调谐、机械振动的控制和调节等。
除此之外，压电陶瓷还可以应用于能量收集和转化领域。
现代社会对于清洁能源的需求日益增加，而压电陶瓷可以将机械能转化为电能，因此可以用于能量的收集和转化。
压电陶瓷的应用能够将机械振动、声波、气流等能量转化为电能，用于无线传输、电池充电等应用领域。
总结起来，压电陶瓷具有广阔的应用前景，可在传感、驱动、控制以及能量收集和转化等领域发挥重要作用。
随着科技的进步和需求的增长，压电陶瓷的研究与应用将会得到更多的关注和发展，为社会的进步和发展做出更大的贡献。
新型压电陶瓷的研制
新型压电陶瓷的研制压电陶瓷是一种能够产生压电效应的陶瓷材料，通过施加外力或者电压，可以使其产生电荷分离而产生电压，同时也可以通过外界施加的电场或者电压来引起材料产生形变。
由于其优良的压电性能，压电陶瓷被广泛应用于传感器、换能器、声波滤波器、压电陶瓷超声波换能器等领域。
随着科学技术的不断进步，人们对压电陶瓷材料的性能和应用需求也在不断提高。
传统的压电陶瓷材料受制于材料本身的结构和成分，往往存在着一些不足之处，例如压电性能不高、耐磨性差、抗弯强度低等问题。
研制新型的压电陶瓷材料，提高其性能和应用范围，已成为当前压电陶瓷研究的重要方向之一。
近年来，我国在新型压电陶瓷材料的研制方面取得了一些重要进展。
新型压电陶瓷材料主要包括钛酸锆钠铅陶瓷、钛酸钡铅陶瓷、硅酸盐钛酸钡铅陶瓷等。
这些新型压电陶瓷材料在压电性能、机械性能和耐磨性方面都有了一定的提升，具有很大的应用潜力。
钛酸锆钠铅陶瓷是一种具有优良压电性能的新型压电陶瓷材料。
它具有极高的压电常数和优良的机械性能，可以作为压电传感器、换能器等领域的理想材料。
目前，该材料已经在一些领域得到了广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
除了压电性能，新型压电陶瓷材料还要求具有优良的机械性能和耐磨性。
传统的压电陶瓷材料在机械性能和耐磨性方面存在一定的不足，制约了其在一些领域的应用。
研制新型的压电陶瓷材料需要在保持优良压电性能的进一步提高其机械性能和耐磨性。
针对这一需求，研究人员采用了一系列新的制备工艺和改性方法。
通过改变材料的成分和结构，优化烧结工艺和热处理工艺，不断提高材料的密实度和结晶度，从而提升材料的机械性能和耐磨性。
研究人员还采用了一些新的改性方法，如添加一定量的纳米颗粒或者纳米纤维，引入纳米复合材料技术，优化材料的微观结构，从而提高材料的耐磨性和抗弯强度。
为了提高材料的稳定性和可靠性，研究人员采用了一些新的改良方法。
通过优化材料的组成和结构，降低材料内部的应力集中和裂纹扩展，改进材料的热稳定性和耐热性，提高材料在复杂环境下的工作稳定性。
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。
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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 BULLET 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 eadways and N e w App li cati ons of P iezocera m icsatH o m e and AbroadLI X iao -Juan ,LI Quan -Lu ,X I E M iao -X i a ,HA O Shu -Juan ,YA NG Gui -kao ,ZH OU J iu -ru ,MA Q i n g(School of Phys i cs and Infor m ation Technol ogy ,ShaanxiN or m alUn i versit y ,Xi 'an 710062)Abst ract :This paper summ arizes the new headw ay and ne w applicati o n of piezoelectric cera m ic m a terialsat ho m e and abroad in r ecent years ,and a series of i m prove m en ts in order t o m ake t h e m fully applied i nt h e p r oduc tion w ere pr oposed ,i n cluding the p i e zoe lectric cera m ic o f PZT w ith lead ,the l e ad -freepiezoelectric cera m ic w ith bis mu t h layer str uct u r e ,t h e p iezoelectric ce ra m ic of B NT and p iezoelectricce r a 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 we r e in troduced .K ey w ords :piezoe lectric cera m ic m a teria ls ;ne w headw ay ;ne w applica tion ;deve lopm ent tr end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ε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 =ε0χE [7]表示,P 为极化强度,ε0为真空介电常数,χ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 m npq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:δ=d T[8]。
其中δ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=u212u1u2其中u212为压电能,u1为弹性能,u2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 cha rge i n cera m ics and freecharg e on po le 图2 正压电效应示意图F i g.2 Ske t ch map o f direct p i ezoelectric effect图3 逆压电效应示意图F i g.3 Ske t ch m ap o f converse piezoe lectric 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 i1-x)O3(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1200～1300℃。
然而,氧化铅(PbO)的挥发温度为800℃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]: sol-ge l、热压法、超细粉体制备及添加助熔剂法。
JI N等[15]将Li2O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950℃低温下合成了性能良好的压电体,如Li2O质量分数为0.1%时,d33、k33、k p、tanδ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900℃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。
Ananta等[18]通过采用2步烧结法在低温条件下(800℃和830℃)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(Zr0:52Ti0:48)O3中加入B i F e O3和B a(Cu0:5W0:5)O3在850℃和950℃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300～350℃,且具有良好的介电性(εr=4091)。