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=Ec/Ee.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
量，用Qm表示。它反映压电体振动时因内阻尼而消耗的能量的多少。
2、PZT压电陶瓷的制备流程
2.1坯件制备
采用干压成型的方式制备坯件，干压成型前应先将粉料造粒，即
在粉料 中加入占料中约5％的黏合剂，搅拌均匀并过粗筛(~t140目
筛)，再以lt／cm2 的压强进行预压块，最后将预压块研碎并过细筛。。
造粒的目的不 仅使黏合剂更加均匀的分布在粉料中，而且由于颗粒
本身已经压紧，压料中 空气较少，并较易排出，因此利于成型，成
型样品的密度更加均匀。
2.2、瓷件烧结和机械加工
于压成型后的坯件，需要通过高温烧结才能成瓷。烧结是颗粒重
排 靠近，使材料致密化以及晶粒生长的过程，过高的烧结温度使陶
瓷晶粒生长 过大或组织机构不均匀，而烧结温度过低则会导致晶粒
发育不完全，这些都会导致PZT压电陶瓷元件的压电性能受到影响。
2.3上电极
PZT压电陶瓷元件两极间需要有金属电极才能导电，发挥压电
性。传统的上电极方法有很多种，如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银
和化学沉铜等。
2.4极化
PZT压电陶瓷元件上电极后，需要经过极化才能显示压电效应。
要使压电陶瓷得到完善的极化，充分发挥其压电性能就必须合理的选
择极化条件，即极化电场、极化温度和极化时间。只有在极化电场作
用下，电畴才能沿电场方向取向排列，极化电场越高，促使电畴取向
排列的作用越大，极化就越完善。
3、PZT压电陶瓷的国内外发展现状
1954年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅（PZT）陶瓷具有良好的压
电性能，其机电耦合系数近于BaTiO3的一倍。在以后的30年间，PZT
以其强又稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，PZT材料的出现
使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变
压器及压电发电装置等。近十年来，以PT/PZT为基础，各种新型的
功能陶瓷得到了快速的发展。对其进行性能改进的主要手段主要是在
其化学组成上添加含Bi2+、W6+、Nb3+、La3+等高价离子氧化物或者
K1+、Mg2+，Fe3+等低价离子氧化物，将PZT材料变成相应的“软性
材料”或“硬性材料”，其应用领域各不相同．在PZT中掺入PWN可
制成三元系压电陶瓷(PCM)。陈亚波等人利用Ce掺杂入PZT中，采用
传统工艺进行烧结，实验结果表明，在铈掺杂量为O．4％(摩尔分数)
时，制备出综合性能良好的PZT压电陶瓷。Ce的加入使材料的介电
常数、机械品质因数略有下降，但它的加入有利于材料结构的致密，
提高了压电陶瓷的体电阻率，解决了材料在高温高场下极化困难的问
题，使得压电性能得到充分发挥，表现为d33和Kp明显提高，对提高
材料的压电性能是有利的，并且适量Ce的加入有效降低了材料的介
电损耗，符合本实验制备低损耗大功率压电陶瓷的目标。西北工业大
学杜红亮等人利用锰掺杂入PNW-PMS-PZT压电陶瓷,采用传统陶瓷工
艺，实验表明，随着锰掺杂量的增加，材料逐渐变“硬”，当 掺杂量
少于0.2%（按质量计，下同）时，相对介电常数、压电常数和机械
品质因数逐渐增加，介电损耗减小；当掺杂量多于0.2%时εr、Qm
和d33逐渐降低，tanδ增加。随着锰掺杂量的增加，机电耦合系数
和温度 逐渐减小。掺杂量为 0.2%的压电陶瓷适合制作大功率压电陶
瓷变压器。在国外，其研究主要集中在美国、日本、德围、韩国等发
达国家，其中日本的研究工作比较突出。压电陶瓷的研究主要集中在
烧结的工艺上，Ananta等采用煅烧法、加入钙钛矿添加剂等通过采
用在低温条件下(800℃和830℃)成功制备出了高致密度、高压电性
能、低介质损耗的PMN、PFN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。
当前工业上应用的各种含铅压电陶瓷材料中，氧化铅的含量约占
材料总质量的60％以上，这些材料在元件制造、加工、储运、使用
及其废弃物处理过程中，对人体和环境造成的危害是不言而喻的。因
此无铅系环境友好型压电陶瓷材料是近年来研究与开发的重要方向
和热点课题。2009年华南理工大学高瑞荣等人利用La置换Pb对b
掺杂PZT压电陶瓷介电和压电性能的影响进行了研究，实验结果发
现，掺杂质量分数为1．5％的Sb20，PZT压电陶瓷，用La部分置换
Pb，可以大幅度地提高压电性能。La置换量≤0．05时，晶体结构为
纯钙钛矿相结构。所以在不久的将来含铅的压电陶瓷会被取代，这样
将是一个跨时代的历史飞跃。
4、 PZT压电陶瓷的应用
现今压电材料的研究热点主要的在弛豫铁电单晶体、高居里温度
压电陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷这五
个方面。本文重点介绍压电复合陶瓷材料，无铅压电陶瓷。
4、1压电复合陶瓷材料
压电复合材料是指由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定
的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。压电复
合材料比原来的单相材料要复杂，物理性能方面的相加性、综合性和
乘积性弥补了单相材料的不足。现今压电复合材料的研究成果丰硕，
但存在以下问题：极化处理工艺、复合材料在较高压力下的退极化问
题、压电复合材料除外的其他耦合模式开发与应用、压电陶瓷相压电
性能的提高，压电复合材料理论模型的进一步完善和应用研究。若要
大幅度提高材料的性能或在提高材料性能方面有一个创造性地突破，
就必须不局限于两相材料的研究，提出具有创新的要领和新思想，才
有可能获得额的突破。
4、2无铅压电陶瓷
氧化铅容易在材料制备及在高温烧结过程中产生挥发，从而污染
了环境，危害了人类的健康。所以研究发展无铅压电陶瓷是一条必行
之路最近几十年，无铅压电陶瓷的发展已经顺利起步。最近我国有关
部门相继出台了相关法律法规，对其支持力度逐年加大。。现在人们
对无铅压电陶瓷体系的主要研究方向有以下几种：钛酸钡基、铌酸盐
基、BNT基等无铅压电陶瓷体系。
(1)钛酸钡基
到目前为止，研究人员对钛酸钡基压电陶瓷的研究和应用已经比
较深入。它是一种重要的制造电容器材料。但它有其自身性能的缺陷，
例如它的居里温度比其他压电陶瓷低(Tc=120"C)、各项电性能较差，
并且它的各项性能很难通过掺杂来获得有效地改善，这些都限制了它
的广泛应用。
(2)铌酸盐基
NaNb03等类钙钛矿型晶体，首先在1949年被美国学者合成，其
通式为ANb03(A为Na、K等)，研究发现其具有较好的压电性，所以
一直以来作为压电陶瓷材料受到高度重视。大量研究发现NaNb03是
一种反铁电体，铌酸盐基无铅压电陶瓷的密度较小，且其各项压电性
能良好，是制备压电材料和高频换能器等的良好的后备材料。
(4)BNT无铅压电陶瓷
Bi0.5Na0.5Ti03是钙钛矿型铁电体且其A位离子被复合取代。在小
于200℃的条件下其表现为三方结构，且当温度在200至320℃时，
其经历三方相、四方相共存的相变过程。BNT压电陶瓷因其具有良好
的压电性能被认为是一种有可能取代PZT的压电材料。不过该陶瓷体
系有较高的矫顽场，陶瓷的致密性及其化学稳定性较差，并且烧结温
压电陶瓷
Electrorheological 电流变
电流变液 (Electrorheological Fluids)是一种智能流体，通常是由高介电常数的微米量级颗粒分散于低介电常数的绝缘油中而形成的悬浮液。
microfluids 微流体
Mechanisms 机制，机械 Dynamics 动力，动力学
Induced polarization 感应激发极化 rheological 流变学的，液流学的 effective dielectric constant 有效介电常数
insulating 绝缘的
在他们研发后的近六十年时间里，电流变液体已经成为具有日益增长的科研魅力和实践重要性的材料。这个评论追溯到机械装置，是由于这些液体的电流变反应和他们伴随的理论基础。尤其是，电流变液体被分为了两个不同类型，非传导性的电流变和
压电材料：压电晶体，压电陶瓷，有机压电材料
PZT（锆钛酸铅）piezoelectric ceramic transducer
是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构。PbTiO3和PbZrO3是铁电体和反铁电体的典型代表，因为Zr和Ti属于同一副族，PbTiO3和PbZrO3具有相似的空间点阵形式，但两者的宏观特性却有很大的差异，钛酸铅为铁电体，其居里温度为492℃，而锆酸铅却是反铁电体，居里温度为232℃，如此大的差异引起了人们的广泛关注。研究PbTiO3和PbZrO3的固溶体后发现PZT具有比其它铁电体更优良的压电和介电性能，PZT以及掺杂的PZT系列铁电陶瓷成为近些年研究的焦点
PZT压电陶瓷是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体。具有正压电效应和负压电效应。
具有体积小，重量轻，精度和分辨率高，频率高，出力大等优点
目前从环境保护的角度来讲，PZT已经被禁用了
现代压电陶瓷材料正在向着复合化，薄膜化，无铅化和纳米化方向发展
pzt-8 大功率压电陶瓷 特点
pzt-8 大功率压电陶瓷 特点
PZT-8（铅锆钛-8）是一种高功率压电陶瓷材料，具有以下特点：
1. 高电机械耦合系数：PZT-8具有较高的电机械耦合系数，能够将输入的电能有效地转换为机械振动能量。这使得PZT-8在声波发射、接收和传感等领域具有出色的表现。
2. 高机械强度：PZT-8具有较高的机械强度，使其能够承受较大的压力和负荷，具有良好的耐磨损性能。
3. 宽工作温度范围：PZT-8具有较宽的工作温度范围，能够在高温和低温环境下保持稳定性能。它适用于在恶劣环境条件下的应用，如航空航天、核工程等。
4. 快速响应速度：PZT-8具有快速的响应和振动速度，能够实现快速的工作和控制。这使其在快速响应和精准控制要求较高的领域，如超声波成像、精密加工和精确定位等方面表现出色。
5. 高效能转换：PZT-8能够将电能有效地转换为机械能，并且具有较高的功率密度。这意味着在同样输入功率的情况下，PZT-8能够提供更高的输出功率，具有较高的能量转换效率。
6. 宽频响范围：PZT-8具有宽带频率特性，能够在较宽的频率范围内工作。这使得PZT-8适用于需要在不同频率下进行振动、检测或传感的应用，如压电换能器、声波发射器和接收器等。 7. 良好的温度稳定性：PZT-8在较宽的温度范围内具有较好的稳定性，能够在不同温度条件下保持一致的性能。这使得PZT-8适用于需要在高温或低温环境中工作的应用，如热敏控制、温度传感和热能转换等。
总的来说，PZT-8大功率压电陶瓷具有高耦合系数、高机械强度、宽工作温度范围、快速响应速度、高效能转换、宽频响范围和良好的温度稳定性等特点。这使得它在声波、震动、传感、控制和能量转换等领域具有广泛应用的潜力。
压电陶瓷性能及PZT制备工艺
压电陶瓷性能及PZT制备工艺
王幸福 无机非金属材料工程 80308113
摘 要: 简单综述了压电陶瓷的性能及锆钛酸铅压电陶瓷制作方法,重点分析了锆钛酸铅压电陶瓷的掺杂改性的机理和作用。以及压电陶瓷PZT未来发展的前景。
关键词: 锆钛酸铅;制作方法。
引言
锆钛酸铅一Pb(Zr，Ti)03:(PZT)是一种具有多种应用功能的钙钦矿型ABO3结构铁电材料，是由铁电相PbTiO3(Tc=490℃)和反铁电相PbZrO3(Tc=230℃)组成的固溶体。PbZrO3一PbTiO3:系固溶体(PZT)相图中，在x约为0.52一0.53附近存在一个铁电四方相(FT)和菱形相(FR)的交界区，就是我们通常称之为的准同型相界(MPB)。在PZT的MPB上具有高的压电和介电特性，具有高的的居里温度，因此受到国内外相关研究者的广泛重视，使之成为迄今为止，应用最广的压电陶瓷材料。
一、PZT压电陶瓷结构特征及特点
1.1钙钛矿结构特征
PZT 陶瓷是指锆钛酸铅( PbZr x Ti1 - xO3 , PZT)陶瓷,它是ABO3 型钙钛矿(perovs kites) 结构,Zr ,Ti 处于氧八面体的中心,Pb 处于氧八面体的间隙。单元结构如图1 所示[1]。
1.2锆钛酸铅(PZT)结构特点
PZT压电陶瓷是属于钙钦矿结构的压电晶体。向PbTIO3:中掺入Zr形成锆钛酸铅(PZT)陶瓷材料，用途广泛。Ti与Zr在结构中呈完全类质同像，但Z/rTi比值不同使材料的结构也不同，在铁电四方和三方相界附近，PZT材料具有优良的压电、介电和热电性能。锆钛酸铅固溶体相图如图1.4所示[2]，在相变温度以下，当错/钦比z/rTi=53/47时，存在一条准同型相界。准同型相界的右边(富钦一边)为四方晶相，左边(富错一边)为三方晶相。实际上，准同型相界有一定的宽度范围，在此范围内，两相共存，数量关系遵从“杠杆定理”。
pzt压电陶瓷片的密度
pzt压电陶瓷片的密度
pzt压电陶瓷片是一种具有多种功能的陶瓷材料，因其较高的性能，广泛地应用于电子电路及机械加工等领域。
1. pzt压电陶瓷片的特点：
（1）能够产生拉力变形，具有良好的压电效应；
（2）具有较为稳定的表观温度系数，热稳定性好；
（3）具有良好的泄漏电流特性，使得它成为最常用的气体绝缘材料；
（4）耐生化腐蚀性，耐电压冲击的能力较强。
2. pzt压电陶瓷片的密度：
PZT压电陶瓷片的密度通常为7.4～7.7 g/cm3，少数情况下达到8.5
g/cm3，它的重量要比碳化硅陶瓷的重量要轻；此外，它能够长时间使用，具有很高的绝缘水平，使得它成为非常有效的智能传感器和传感器内电路元件。
3. pzt压电陶瓷片的应用：
（1）它在电子电路中可以作为高精度控制元件及保护设备；
（2）也可以用作压力、温度以及湿度的传感器；
（3）具有传导和透射功能的复合型光电器件；
（4）也可以用于声学设备，用于发射和接收声音振动，具有良好的稳定性；
（5）还可以用作气体分离膜，提高产品性能。
4. pzt压电陶瓷片的研发前景 PZT压电陶瓷片在发电、驱动和容纳等领域都有应用，具有极大的潜力。随着人们对新型气体和微纳米技术的不断发展，PZT压电陶瓷片应用领域也将不断扩展，开发出更多高性能的新型PZT压电陶瓷片。未来的PZT压电材料将具有更好的性能，使得开发者可以实现新的技术和产品，这可以被很好地应用于消费电子设备领域，例如电子游戏机、导航仪等等。
压电陶瓷的发展及其应用
压电陶瓷的发展及其应用
简介
压电陶瓷是指把氧化物混合(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，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能，压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感功能材料，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。
随着材料工艺的不断研究和改良，以及电子、信息、航空航天等高科技领域日新月异的发展，作为含高智能新型材料的压电陶瓷的生产技术和应用开发是人们关注的热门课题。
压电陶瓷压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。
由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的. 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质.
发展历史
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。
1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。
1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。
压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。
驱动芯片 压电陶瓷
驱动芯片 压电陶瓷
压电陶瓷是一种能够将电能转化成机械能或者将机械能转化成电能的材料，常用于制作驱动芯片。它具有压电效应，即在施加电场的情况下会产生形状改变，同时也具有反压电效应，即在施加力或形变的情况下会产生电势差。这些性质，使得压电陶瓷在电子与机械结合的制造领域有着广泛的应用。
驱动芯片同样是一种能够将电信号转化为机械运动的元器件。常见的驱动芯片种类有PWM驱动芯片、直流电机驱动芯片、步进电机驱动芯片等。其中，步进电机驱动芯片中采用的便是压电陶瓷材料。步进电机是一种转动一定角度的电机，具有精度高、控制方便等优点，因此在一些数码设备、医疗设备等领域得到了广泛应用。
步进电机驱动芯片中的压电陶瓷，主要用于控制电机的步进角度，其原理为：施加电压后，压电陶瓷会产生形状改变，导致机械运动。当电场施加方向发生改变时，压电陶瓷会产生方向相反的形状改变，此时电机也会产生相反方向的运动。通过控制施加在压电陶瓷上的电场方向和大小，就能够控制电机的步进角度和运动方向。 压电陶瓷的制作材料主要是铅锆钛（PZT），其具有高稳定性、高压电系数、高灵敏度、高电机械耦合系数等优点。而压电陶瓷的加工工艺比较复杂，需要经过锻模、干燥、烧结等多个步骤。在干燥和烧结过程中，需要控制温度、密封度、气氛等因素，以保证压电陶瓷的质量和性能。
在驱动芯片的应用中，压电陶瓷不仅具有控制电机步进角度的作用，还常常被用于精密位置调整、振动控制、精密定位等需要精确控制机械运动的场合。压电陶瓷的性质使得它在机械工业、生物医学、空间技术等领域都有着广泛的应用前景。
总之，压电陶瓷是一种重要的驱动芯片材料，其具有压电效应和反压电效应等优良性质，可以将电能与机械能充分结合。它在制造行业的应用越来越广泛，为机械运动控制、精密定位等领域带来了便利与提升。
pzt压电陶瓷片作用
pzt压电陶瓷片作用
PZT压电陶瓷片是一种重要的电子材料，它具有压电效应，可以将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能。这种材料在许多领域都有广泛的应用，如超声波探伤、声音传感器、喷墨打印机等。
PZT压电陶瓷片的基本结构是由两片压电陶瓷片和一片金属片组成。当在压电陶瓷片上施加电压时，它会变形并产生机械振动。这种振动可以通过金属片传递到外部环境中，从而产生声音或超声波。因此，PZT压电陶瓷片可以被用作声音传感器或超声波探伤器等设备。
除了在声学领域的应用外，PZT压电陶瓷片还在许多其他领域展现出了广泛的应用前景。例如，在喷墨打印机中，PZT压电陶瓷片可以将电能转换为机械能，推动打印墨水从喷嘴中喷出，形成所需的文字或图像。此外，PZT压电陶瓷片还可以被应用于能量转换、振动控制、电子乐器等领域。
具体而言，PZT压电陶瓷片的特点和优点有：
1. 压电效应强：PZT压电陶瓷具有很强的压电效应，可以将机械能高效地转换为电能或相反的过程。
2. 居里温度高：这使得其在高温环境下能够保持稳定的性能。 3. 机电耦合系数高：这意味着它能够实现机械能和电能之间的高效转换。
4. 机械品质因数高：这表示其能量转换效率高，能够减少能量损失。
5. 各项机电参数随温度、时间等外界因素的影响小：这意味着它的性能相对稳定，受外界环境因素影响较小。
6. 结构阻抗低、灵敏度高、动态范围宽响应在宽频带呈现平坦特性：这些特点使其在各种应用中表现出良好的性能。
7. 功率大：PZT-8主要用于发射信号，在超声领域中有广泛的应用。
8. 高接收敏度：PZT-5对激励信号感应强烈，主要用于传感器。
9. 柔韧性好：相比传统的压电陶瓷，有机压电材料如PVDF（聚偏二氟乙烯）具有更好的柔韧性，可以产生更大的变形，有更高的机电转换效率。
总之，PZT压电陶瓷片由于其独特的性能和广泛的应用领域，成为了工程应用中使用最多的压电材料之一。
PZT压电厚膜的发展及其应用
——————————————————————————————————————————————— PZT压电厚膜的发展及其应用 第 43 卷 第 8 期2007年 8 月 中 国 陶 瓷 Vol.43 No.8Aug.2007 综述与评述 文章编号：1001-9642（2007）08-0003-04 董金美，沈建兴，李传山，张 雷（山东轻工业学院， 济南 250353） 【摘 要】：PZT压电厚膜材料是20世纪90年代发展起来的一种新型功能材料，它兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，具有良好的压电、介电和热释电性能。简述了PZT压电厚膜的国内外研究进展，对PZT压电厚膜的制备方法做了简短的介绍，并对其改性研究做了较为详细的总结，最后，阐述了PZT压电厚膜在国内外的应用并展望了其前景。 【关键词】：PZT，压电厚膜，研究进展 体材料相比，PZT压电薄膜尺寸小、重量轻、工作电压低、能与半导体集成电路兼容，可制成非易失随机存取存储器、热释电红外探测器、压电微型驱动器与执行器等，但这些器件是基于PZT膜的厚度小于1μm的铁电薄膜的基础上得到的。实际上铁电膜的应用不仅仅局限于厚度小于1μm的薄膜微型器件领域，许多潜在的应用需要1μm～50μm厚度的压电膜，因为厚度小于1μm时，PZT薄膜易受——————————————————————————————————————————————— 界面、表面效应的影响，尤其是薄膜与电极之间的界面效应在很大程度上会影响器件的整体性能，再加上PZT薄膜产生的驱动力较小，因而PZT薄膜在压电器件方面的应用受到了一定的限制。 20世纪90年代中期，PZT厚膜材料及厚膜器件成为科学工作者研究的热点。PZT压电厚膜材料兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，与薄膜相比具有更大的驱动力和更为明显的压电效应。厚膜PZT材料制成的器件不仅工作电压低、使用频率范围宽、能够与半导体集成电路兼容，而且电性能优于薄膜材料。 引 言 锆钛酸铅[Pb(ZrxTi1-x)O3，简称(PZT)]固溶体是一种性能优异的功能材料，具有优良的铁电、压电和热释电性能 [1] ，是目前研究的一个热点。PZT压电材料因其 居里温度和机电耦合系数高、温度稳定性好，且可通过适当的取代添加改性达到不同用途等特点，已被广泛应用于社会生产的各个领域，尤其是超声领域和电子科学技术领域，如医学及工业超声检测、水声探测等，可制成压电换能器、超声马达、显示器件和电控多色滤波器等。 到目前为止，国外对PZT压电厚膜的研究已经很多，但国内对这方面的研究报告还较少。本文就PZT压电厚膜的研究进展、改性措施及国内外的应用情况作了较为详细的概述。 1.2 PZT厚膜的制备方法 ——————————————————————————————————————————————— 20世纪90年代以来，厚膜的制备技术得到了很大的发展，如丝网印刷技术、新型溶胶-凝胶（Sol-gel）法[2]和电泳沉积法[3]等，其中丝网印刷技术最为成熟。 1.2.1 丝网印刷技术 丝网印刷技术(Screen Printing)是指将预烧好的PZT粉体与铅硼硅玻璃相成分经球磨混合、烘干后加入一定量的粘结剂、分散剂等有机载体，制备成均匀的厚膜浆料，然后将浆料经过网孔转移，沉淀到基片上，形成湿厚膜，然后根据自己所需要的厚度来决定印刷的次数，后经干燥，1000℃左右烧结成瓷。该方法使用传统的厚膜集成电路制备工艺，易于制备较厚的压电厚膜，且过程简单、成本低、易于批量生产，能完全与MEMS技术兼容，可用来制备MEMS压电微执行器。王蔚等[4]用丝网印刷在硅膜上印制了膜厚达100μm、图形分辨率在500μm以上的PZT厚膜。但该方法不足之处是浆料难以混合均匀，有玻璃相成分，需高温烧结，且难以获得压电性能良好的PZT厚膜。 1.2.2 新型Sol-Gel技术（粉末-凝胶法）新型Sol-Gel厚膜制备技术是将PZT陶瓷超细粉分散于溶胶中，充分混合后形成均匀、稳定的PZT厚膜先驱体溶液，后经匀胶形成PZT湿厚膜，湿膜在450℃下进行热分解，形成无机PZT厚膜，然后利用反复涂敷技术来增加厚膜的厚度，最后在适当的温度下煅烧制成钙钛 中国陶瓷│CHINA CERAMICS│2007(43)第 8 期│3 1 PZT厚膜的研究进展 1.1 PZT厚膜的发展史 ——————————————————————————————————————————————— 自19世纪80年代居里兄弟在石英晶体上发现压电效应至今，人们对压电材料的探索一刻也没有停滞。从压电单晶材料到压电陶瓷材料，从BaTiO3陶瓷到PbZrO3-PbTiO3(PZT)固溶体系统，从钙钛矿型压电陶瓷到非钙钛矿型压电陶瓷，压电材料的研究经历了几个不同的阶段。 1965年，松下电器公司的研究人员在PZT的组成中加入Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（铌镁酸铅），试制成功了三元系压电陶瓷，取名为PCM。此后，各种性能优良的三元系、四元系压电陶瓷不断问世。这些新的多元系统的共同特点是烧结性能好，在烧结过程中铅挥发少，容易获得气孔率低、均匀致密的陶瓷，可以在更大的范围内调节电性能等，所以近年来一直成为研究的热点。 近几年电子器械向着小型化和微型化的方向发展，压电材料也开始由块体材料向着膜材料的方向发展。与块 收稿日期：2007-4-7 中 国 陶 瓷2007年 第 8 期 矿结构的PZT厚膜。新型Sol-Gel技术虽不同于普通的Sol-Gel制膜技术，但保持了普通Sol-Gel技术的基本特点，能成功地制备出2μm-50μm的厚膜。夏冬林等[5]采用新型Sol-Gel技术在Pt／Ti／SiO2／Si基片上成功制备出了厚度在2μm～60μm之间且均匀、无裂纹、高致密的PZT铁电厚膜材料。这种新型Sol-Gel方法具有设备简单、成本低、能与半导体工艺兼容、均匀性好、组分能精确控制及合成温度低等优点。 ——————————————————————————————————————————————— 1.2.3 电泳沉积法 电泳沉积法（electro/phoretic deposition，EPD）是指将所制备的PZT细粉分散在悬浮液中，配成不同浓度的悬浮液，用酸碱溶液调节悬浮液的pH值，通过超声分散和磁力搅拌获得稳定的悬浮液，恒压条件下，使带电粒子在电场的作用下发生定向移动，从而得到一定厚度的PZT厚膜。这种方法具有设备简单、成膜快、被镀件形状不受限制、膜厚均匀可控等优点。Tassel等[6]和Su等[7]分别采用电泳沉积技术从水悬浮液中制备了PZT薄、厚膜；Sweeny等[8]则从丙酮悬浮液中电泳沉积制备了PZT陶瓷膜；张瑞芳等[3]利用电泳沉积技术从乙醇悬浮液中制备了膜厚约70μm且均匀、致密的PZT厚膜。 1100℃～1200℃，而氧化铅(PbO)的挥发温度为800℃左右。因此，在烧结过程中很容易造成PbO的挥发，导致厚膜性能下降；另外，高的烧结温度使得基板、电极和PZT厚膜之间相互扩散严重，导致基板、电极和PZT厚膜之间的粘结性下降，影响了厚膜的压电性能。采用镍、铜、银等碱金属作内电极低温共烧不仅可以降低实验成本，而且在抑制PbO挥发、保证材料性能、减轻环境污染、延长设备寿命方面有着重要的技术和经济价值。目前，低温烧结主要有添加烧结助剂和超细粉体法两种方法。Yongbae Jeon [12]在PZT粉体中加入5%Bi的低熔点玻璃粉，结果PZT厚膜在925℃下即可烧结成瓷，大大降低了烧结温度，减少了基板与电极、PZT层之间的渗透作用，有利于PZT厚膜压电性能的提高；M.Hrovat等[13]用PbO和GeO2在700℃下合成了Pb5Ge3O11，然后在粉体中加入2%的Pb5Ge3O11作为烧结助剂，——————————————————————————————————————————————— 实验结果表明，粉体在850℃就可烧结；Bongyeon lee等[14]将粉体研磨到平均粒径为0.3μm，在没有添加任何烧结助剂的情况下就将烧结温度降到了800℃，而且制得的压电厚膜具有完好的磁滞回线，剩余极化达到28.0μC/cm2，矫顽电场为52.7KV/cm。这可能是由于超细粉体颗粒具有较高的活性，所以大大降低了烧结温度。 2 PZT厚膜制备的改性研究 PZT厚膜在制备过程中存在着很多诸如浆料难以混合均匀，烧结温度高，基板、电极和厚膜之间扩散严重，基板与电极、厚膜层之间粘结性差，厚膜易开裂等问题。本文针对厚膜制备过程中常遇到的这些问题及采取的改性措施简要作一概述。 2.3 扩散和开裂问题的改性研究 由于大部分压电厚膜材料都需高温烧结，所以基板与电极、PZT层之间容易发生相互扩散作用，甚至发生反应，降低了基板与电极之间的粘结性，大大影响了PZT压电厚膜的压电性能。为了降低基板与电极、PZT层之间的相互扩散，除上面提到的降低烧结温度外，缓冲层材料的研究显得尤为重要。目前常作为缓冲层的材料有SiO2、ZrO2等。S.P.Beeby等 [20] 2.1浆料的改性研究 用于丝网印刷的压电厚膜浆料一般是由结合剂、有机载体和粉体组成。结合剂为玻璃釉料，作用是形成绝缘体，并利用其黏度随温度升高稳定性下降的特性，来控制浆料的高温流动特性，充分润湿功能——————————————————————————————————————————————— 组分颗粒；有机载体包括溶体和增塑剂，主要有乙基纤维素、松油醇、萜品醇、醋酸丁基卡必醇等，用来调节料浆的粘度，保证料浆顺利、均匀、准确地印刷在基片上，且能使印刷花样在烧结过程中有足够的强度，不产生变形。但是，在丝网印刷制造厚膜时，所制得的厚膜浆料分散性并不好，大多难以混合均匀，制备不出厚度均匀、气孔少且压电性能良好的厚膜，因此需要加入一些有机分散剂来帮助分散浆料。 Takaaki Tsurumi等[9]在浆料中加入单油酸山梨聚糖作为分散剂来分散PZT粉体；L.Simon等[10]用丁氧基乙酸乙醇乙酯作为分散剂，结果表明所配制的浆料成分均匀，粘度适中，特别适合于丝网印刷。另外，三乙醇胺、磷酸三丁酯等也可以作为浆料分散剂。当加入适量的分散剂时，分散剂在PZT颗粒表面的吸附达到饱和，形成一壳层，使分散体系靠静电位阻的作用达到稳定[11]。 在Si基片上沉 积SiO2层作为缓冲层，实验表明，烧结温度低于900℃时，不会发生明显的扩散作用，一旦温度超过900℃,它们之间的相互作用就非常明显，可见，SiO2层在低温烧结时是一种比较好的缓冲层；Yongbae Jeon等[12]发现ZrO2(1500à)/SiO2(6000à)作为缓冲层不仅具有好的粘结性，而且能有效地抑制基板与电极、PZT层之间的相互渗透作用。此外，通过研究发现，缓冲层材料不仅能有效的阻止基板与电极、PZT层之间的相互渗透，而且能有效的防止厚膜在烧结过程中的开裂。在厚膜中加入适当的缓冲层材料能制得表面平整、光滑的厚膜。G.S.Wang等[15]以LaNiO3（LNO）为缓冲层材料，制成了厚度为8μ——————————————————————————————————————————————— m、无裂纹的PZT厚膜，在厚膜的烧结过程中加入PEG-200(聚乙烯乙二醇)，提高了厚膜的密度、机械性能和电学性能；另外，LNO有效地阻止了PZT厚膜的开裂，原因可能是LNO层缓冲了PZT厚膜层和硅基板层的热膨胀系数（PZT：7×10-6K-1，Si：2.6×10-6K-1）。 3 PZT厚膜的应用 由于PZT厚膜材料兼顾了体材料和薄膜材料的优点，具有比薄膜材料更大的驱动力和更为明显的压电效 2.2 烧结温度的改性研究 PZT基压电厚膜烧结温度一般都比较高，约为 4│中国陶瓷│CHINA CERAMICS│2007(43)第 8 期 2007年 第 8 期中 国 陶 瓷 应，所以，早在上世纪90年代就成为国内外科学工作者研究的热点之一。现在，PZT压电厚膜材料已被广泛地应用于制造各种微型机械泵[16]、厚膜微致动器[17-18]、压力传感器[19]、微机械谐振器[20]、压电加速度转换器[21]、新型超声复合换能器[22]、弹性波传感器[23]、压电多层致动器[24]及微电子机械系统(MEMS)器件[25]等。 技术制备了低频宽带压电厚膜超声传感器（UTS），这种UTS由分别分散在Al2O3和PZT溶胶-凝胶中的PZT和LiTaO3粒子组成，制成50μm～100μm的厚膜，将厚膜涂覆在弯曲的钢板、平板钢板、铝基板或钢棒上，当噪音超过25分贝，温度高于250℃即可获得超声脉冲回音信号。 3.1压电厚膜频率控制器
基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望
基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望
杨拥民张玉光陈仲生陶利民邓冠前
国防科学技术大学,长沙,410073
摘要:分析了压电式振动能量捕获原理;针对提高振动能量捕获量和捕获效率这两个目标,对当前国
内外在新型压电材料、压电振子性能研究与结构配置及高效电路等方面所作的研究进行了详细论述;指出
向微能源器件、集成自供电系统发展和从旋转机械中捕获能量是压电陶瓷振动能量捕获技术的研究前景。
关键词:无线传感器;自供电;振动能量捕获;压电陶瓷
中图分类号:TP212;TM282文章编号:1004132X(2009)01011305
SurveyonVibrationEnergyHarvestingBasedonPiezoelectricCeramicYangYongminZhangYuguangChenZhongshengTaoLiminDengGuanqianNationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,410073Abstract:Thetheoryofvibrationenergyharvestingbasedonpiezoelectricceramicwereanalyzed,andforimprovingamountofelectricalenergyandefficiency,thekeytechnologiesonpiezoelectricmaterials,performanceandconfigurationsofpiezoelectricpatchesandcircuitrywereintroducedandtheresearchworkwassummarizedathomeandabroad,finally,thestudydirectionsinthefuturewerepointedout.Keywords:wirelesssensor;self-powering;vibrationenergyharvesting;piezoelectricceramic
高压电瓷材料的发展趋势
1 高压电瓷材料的发展趋势
1 前言
高压电瓷材料是高压输变电线路的重要组成部分,为适应超高压"特高压"大电流"大跨距电力线路的需要，国内外竞相开展了以提高电瓷力、热、电性能为宗旨的科学研究，其成果不断涌现。目前，国内瓷绝缘材料制造工艺较落后，产品性能比国外有一定的差距。
本文试图以国内外电瓷材料的发展历程和研究现状等方面阐述我国高压电瓷行业面临的机遇、挑战和发展趋势，分析、归纳、总结国内外研究的先进成果，为电瓷材料研究与决策提供系统性数据与合理建议。
2 电瓷材料的研究与发展
1849年，德国西门子公司首次将瓷绝缘子用于从法兰克福至柏林的电报线路上，从而使陶瓷材料成为最早的电瓷绝缘材料，经过150多年的发展，电瓷材料已经有了许多突破性的发展和变化。
2.1普通电瓷材料
早期的电瓷以长石质瓷为主，它以石英、长石、粘土为原料，瓷成分为10％－20％石英、10％－20％莫来石、60％－80％的气孔和玻璃相。长石质普通瓷的颗粒粗，成型性能良好，但机械强度低，抗折强度仅为30MPa－50MPa，因价格便宜，工艺简单而广泛地使用于不需要高强度的绝缘子、瓷套中。
2.2高强电瓷材料
2.2.1高硅质电瓷材料
高强度电瓷产品的发展是以石英应力理论为基础的高石英瓷，它是 2 在普通瓷的基础上，调整粘土、长石、石英的比例而得到的较高强度瓷。
二十世纪六十年代初，日本人发明的方石英质电瓷材料在电瓷的发展史上可谓辉煌的一页，这种瓷属于“石英－长石－粘土”系统，它是利用日本特有的陶石原料中所含的微细石英在烧成过程中变化而制成的，其特点是瓷质中的结晶相除含有莫来石与石英之外，还有大量的方石英(15％－40％)，它具有很微细而均匀的显微结构，瓷体的机械强度比普通瓷提高了1.5倍左右，六十年代末我国已生产出高硅质瓷悬式产品，但普遍存在早期严重劣化现象。主要原因是由于工艺和配方不相适应，石英/方石英颗粒引发的微裂纹使承受负荷的绝缘子因裂纹增大而丧失强度，石英的方石英化并未形成所希望的压应力，而是存在有害应力和过大的膨胀系数。