硅酸
盐学报
· 510 ·2010年
(Na, K)NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展
沈宗洋，李敬锋
(清华大学材料科学与工程系，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084)
摘要：本文主要综述近几年来国内外有关(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷体系的加压固相烧结技术、液相助烧致密化技术、掺杂改性、相结构调控以及相关机理研究方面的研究进展和动向，并展望该陶瓷体系在医疗超声换能器技术方面的应用前景。
关键词：无铅压电陶瓷；铌酸钠钾；钙钛矿；铁电体；容差因子；综合评述
中图分类号：TB34；TM22+5；TM282 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)03–0510–011
ADV ANCES IN RESEARCHES ON (Na, K)NbO3-BASED LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMICS
SHEN Zongyang，LI Jingfeng
(State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Department of Materials and Engineering, Tsinghua
University, Beijing 100084, China)
Abstract: This paper mainly reviews recent advances in development of (Na,K)NbO3-based lead-free piezoceramic system, including the pressurized solid-state sintering process, liquid-phase-assisted sintering process, chemical composition modification, phase struc-ture controlling, and related mechanism studies. In addition, the application perspectives on (Na,K)NbO3-based lead-free piezoceram-ics for medical ultrasonic transducers are also introduced.
Key words: lead-free piezoelectric ceramics; potassium and sodium niobate; perovskite; ferroelectrics; tolerance factor; review
压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷，在电子信息、超声换能、传感器、无损检测等技术领域已获得广泛应用。[1]压电材料及器件具有直接实现电能与机械能直接转换的功能，其工作原理源自力–电耦合的压电效应，涉及材料、物理、力学等多学科交叉。[2]压电材料不仅用途广泛，而且其相关材料科学与应用技术的研究一直经久不衰。
目前，市场上大规模使用的压电陶瓷材料体系主要是铅基压电陶瓷，即PbTiO3–PbZrO3、PbTiO3– PbZrO3–AB O3 (AB O3为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO3系压电陶瓷等。[3–5]铅系压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过掺杂取代来调节其性能以满足不同需求，但是这些陶瓷材料中PbO(或Pb3O4)的质量约占60%左右。铅基压电材料在生产、使用及废弃后的处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害，溶解在酸雨中的铅可以通过水和动植物而直接或间接地侵入人体，从而影响人的神经系统；因此新型环境友好的压电陶瓷材料已经成为世界发达国家研发的热点材料之一，(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷是目前最受关注的无铅压电陶瓷体系。[6–7]
实际上，早在1959年，美国学者Egerton和Dillon就研究了(Na，K)NbO3陶瓷体系的压电性，并且在摩尔比n(Na)/n(K)=1时，即在(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷中获得机电耦合系数峰值，这是碱金属铌酸盐陶瓷研究的开端。[8]在此之前，Cross在1958年曾报道(Na1–x K x)NbO3单晶的双电滞回线，[9] Shirane 等[10]在1954年报道(Na，K)NbO3体系的介电性能和相转变行为特征；但是，传统陶瓷制备工艺很难获得致密的(Na，K)NbO3陶瓷，Egerton和Dillon
收稿日期：2009–06–13。修改稿收到日期：2009–07–06。
基金项目：国家自然科学基金(50772050；50921061)及国家“973”重点基础研究发展(2009CB623304)资助项目。
第一作者：沈宗洋(1979—)，男，博士。
通信作者：李敬锋(1963—)，男，教授，博士研究生导师。Received date:2009–06–13. Approved date: 2009–07–06. First author: SHEN Zongyang (1979–), male, Doctor.
E-mail: zongyang@https://www.doczj.com/doc/486230846.html,
Correspondent author: LI Jingfeng (1963–), male, professor. E-mail: jingfeng@https://www.doczj.com/doc/486230846.html,
第38卷第3期2010年3月
硅酸盐学报
JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol. 38，No. 3
March，2010
沈宗洋等：(Na, K)NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展· 511 ·第38卷第3期
用传统制备工艺制备的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的压电常数(d33)仅为80pC/N，机电耦合系数(k p)为0.36。[8]热压法能够获得相对密度趋于99%的(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷，其Curie温度(θc)为420℃，d33可达160 pC/N，k p为0.45。[11]此后，由于研究发现含铅Pb(Zr x?Ti1–x)O3(PZT)系陶瓷在准同型相界(morphotropic phase boundary，MPB)附近表现出极其优异的压电性能，[3]使含铅PZT系陶瓷的研究得到长足发展，其研究和应用几乎占领了整个压电陶瓷领域。与此同时，(Na，K)NbO3基压电陶瓷由于其压电性能低以及自身在陶瓷制备过程中存在的一系列问题，其研究早已远远落后于含铅PZT系陶瓷的。2004年，Saito等[12]在(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷研究领域取得重要突破，即采用反应模板晶粒生长(reaction templated grain growth，RTGG)法制备的织构型Li、Ta和Sb共掺杂改性的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷具有和商用PZT4压电陶瓷相媲美的性能。
近年来，(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的研究取得了系列进展，图1是从ISI科学网站检索到的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷自2004年至2009年5月的SCI论文发表情况变化趋势，可以看出：(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷研究在世界范围内受到极大关注，特别是，我国科研工作者在无铅压电陶瓷的投入占有很大份量。关于(Na，K)NbO3基陶瓷的研究主要涉及制备工艺，掺杂改性，微观结构分析与调控，相结构分析与调控，铁电、介电、压电性能研究等方面。[13–17]最近在应用技术研究方面也出现一些相关报道。[18]本文结合笔者近些年的相
图1 2004年至2009年5月(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷论文发表情况
Fig.1 Publications on (Na, K)NbO3-based lead-free piezoce- ramics for the time range from 2004 to May 2009
The statistic was collected from ISI Web of Science. 关研究工作，重点介绍有关(Na，K)NbO3基陶瓷在制备工艺和性能增强方面的研究进展。
1 钙钛矿结构与KNbO3–NaNbO3相图
1.1 钙钛矿结构
KNbO3和NaNbO3均属钙钛矿结构化合物。具有钙钛矿结构的复合氧化物材料通式可用AB O3表示，其中A和B代表阳离子。许多阳离子都可能进入A位和B位，一般而言，为满足电中性的要求，半径较大的A位阳离子的化合价为+2(+1，+3)价，对应的半径较小的B位阳离子的化合价为+4(+5，+3)价。理想的AB O3型立方钙钛矿结构如图2所示。[19]图2a为以B位离子为中心的表示法，A位离子占据立方体的8个顶角位置，6个O离子位于
图2 理想的AB O3型钙钛矿结构示意图[19]
Fig.2 Schematic representation of perovskite structure with chemical formula AB O3[19]
硅酸盐学报
· 512 ·2010年6个面的中心，并与立方体中心的B位离子组成[B O6]
八面体。图2b为以A位离子为中心的表示法，AB O3
的基本结构可看作由8个围绕A位离子的[B O6]八面
体共顶连接组成。
在理想的钙钛矿结构中，如果r A、r B和r O分别
表示正离子A、B和负离子O的半径，并将离子看
作是理想的刚性球体且直接接触，(r A+r O)
与
(r B+r O)的比将是1个整数。根据Goldschmidt可定义容差因子(t f)[2,20]
f
t=
一般来说，钙钛矿结构仅发生在0.75 t f可以预期钙钛矿结构材料在室温的晶体结构：通常t f接近1.0时，晶体结构的扭曲度较低，材料的Curie温度也较低。t f>1.0时，晶体结构倾向于形成四方相，尽管很多具有t f>1.0的钙钛矿物质在室温为立方顺电相。t f<1.0时，钙钛矿倾向于低对称性结构，如NaNbO3和KNbO3的t f分别为0.81和0.93，计算时离子半径分别为r(K+)=13.3nm，r(Na+)=9.7nm，r(Nb5+)=6.9nm，r(O2–)=13.2nm，室温均具有正交钙钛矿结构。这里必须要注意的是，由于t f计算采用的离子半径依赖于离子的配位数，而配位数是又依赖于结构，此外，众多具有钙钛矿结构的材料随着温度的变化会从一种晶体结构转变成另一种；因此t f只能作为一种粗略的晶体结构判断方法，如果要获得更可靠的判断则需要对晶体化学方面深入考虑。 1.2 KNbO3–NaNbO3相图 KNbO3的Curie温度θC=435℃，随着温度下降，KNbO3依次发生立方→四方结构(435) ℃的顺电→铁电相变，以及四方→正交结构(225℃)和正交→菱方结构(–10) ℃的铁电→铁电相变。[10] NaNbO3的相转变行为非常复杂，室温下是反铁电体，具有正交钙钛矿结构。[10]反铁电体NaNbO3和铁电体KNbO3可以形成完全固溶体，其结构仍然为钙钛矿结构，这点非常类似于反铁电体PbZrO3和铁电体PbTiO3形成的固溶体。[3] KNbO3–NaNbO3的相图如图3所示。[2] 图3 KNbO3–NaNbO3的相图[2] Fig.3 Phase diagram for the system KNbO3–NaNbO3[2] P—Paraelectric; F—Ferroelectric; A—Antiferroelectric; C— Cubic; T—Tetragonal; O—Orthorhombic; R—Rhombohedral; MONO—Monoclinic; M—Multiple cell; *—Note change of scale at 90%. Egerton等[8]报道，在KNbO3–NaNbO3体系中，当n(Na)/n(K)=1时，即(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的k p达到峰值。Tennery等[22]报道，KNbO3–NaNbO3体系中，25℃时，当NaNbO3摩尔含量约52.5%时，存在MPB。Zhang等[13]采用放电等离子烧结(spark plasma sintering，SPS)方法制备(Na x K1–x)NbO3陶瓷，系统研究组成、退火温度等对陶瓷微观结构和电学性能的影响，最终也是在n(Na)/n(K)=1时获得最高的d33=148pC/N。最近Dai等[23]采用传统固相法研究(Na x K1–x)NbO3陶瓷体系，通过细微调节Na和K 的量发现：当x=0.52～0.525时，存在典型的单斜相–正交相MPB，并且当x=0.52时，陶瓷d33具有最大值(160pC/N)。以此看来，KNbO3–NaNbO3体系中准确的MPB位置还有待进一步深入研究。 图3为KNbO3–NaNbO3相图，可以看出：在n(Na)/n(K)=1附近，相稳定性被限制在1140℃左右，温度稍微升高就产生大量液相，导致陶瓷烧成 沈宗洋等：(Na, K)NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展· 513 ·第38卷第3期 温区特别狭窄，难以获得烧结良好的高致密度陶瓷体；另外，在高温烧结过程中，Na和K非常容易挥发，导致化学计量比偏离预设组成，或者产生杂相，使材料性能大大降低。烧成温区狭窄和高温Na、K易挥发也是KNbO3–NaNbO3体系中难以准确确定MPB位置的主要原因。由此可见，虽然KNbO3– NaNbO3体系类似于PbZrO3–PbTiO3体系，但就压电性能而言，KNbO3–NaNbO3体系则逊色太多，这和该体系存在的上述问题密切相关。针对KNbO3– NaNbO3体系陶瓷存在高温Na和K的挥发、烧成温区狭窄和难以获得高致密度陶瓷体等问题，国内外学者在烧结工艺和性能增强方面做了大量研究工作，这些工作大多数围绕(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷展开，有关调节Na和K的量以期进一步增强性能的研究报道也越来越多。 2 (Na0.5K0.5)NbO3基无铅压电陶瓷 2.1 改善制备工艺和微观结构调控 传统固相法很难获得高致密度的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷，要获得高致密度的陶瓷体，首先是改善制备工艺。Jaeger等[11]采用热压烧结法制备体积密度为4.46g/cm3的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷(理论体积密度为4.51g/cm3)，其d33(160pC/N)是传统固相法的一倍，k p也达到了0.45。Li等[24]采用SPS法获得相对密度大于99%的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷，该陶瓷具有200～500nm的微细晶粒结构，d33达到148pC/N。表1为传统固相法与热压法和SPS法制备的(Na0.5?K0.5)NbO3陶瓷的性能比较。 表1 传统固相法与热压法和SPS法制备的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷性能比较 Table 1 Property comparison of (Na0.5K0.5)NbO3 ceramics prepared by the traditional solid state reaction and hot pressing as well as spark plasma sintering (SPS) methods Preparation method Bulk density/ (g·cm–3) Relative density/% Curie tempera- ture θC/℃ Piezoelectric constant d33/(pC·N–1) Planar coupling coefficient k p Relative dielectric constant εr Dielectric loss tgδ Mechanical quality factor Q m Traditional solid state reaction[8]4.25 94.2 —80 0.36 290 (100kHz)0.02 (100kHz) 130 Traditional solid state reaction[25]4.34 96.2 420 97 0.29 402 (10kHz) 0.068 (10kHz) — Hot pressing[11] 4.46 98.9 — 160 0.45 420 (100kHz)0.014 (100kHz) 240 Spark plasma sin- tering[24]4.47 99.1 395 148 0.389 606 (1kHz) 0.036 (1kHz) — Note: Theoretical bulk density (4.51g/cm3) was used to calculate relative density. 张利民等[26]通过控制烧结温度，采用传统固相法常压烧结制备的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的d33达到122pC/N，这个值虽然低于热压法和SPS法制备的，但比Egerton等报道的80pC/N还是高出许多。Zhen等[15]通过改进制备工艺，采用双坩埚法能够有效控制(Na，K)NbO3基陶瓷中Na和K的挥发；同时系统研究烧成温度对(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷性能与微观结构的影响规律，观察到随温度升高存在异常晶粒长大行为，并对形成异常晶粒长大行为的壳–核结构进行机理解释，认为在烧结过程中Na、K的挥发以及液相的形成随温度的变化和异常晶粒长大以及陶瓷压电性能紧密相关，最终得到的(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷的d33达到126pC/N。[27] 2.2 添加烧结助剂 在烧结过程中，添加烧结助剂产生液相能够有效降低烧结温度，促进陶瓷致密化。对(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷而言，降低烧结温度还能够减少Na和K 在烧结过程中的挥发，因此采用传统固相法制备(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷时，选择合适的烧结助剂对改善烧结性能，抑制Na和K的挥发，是获得致密陶瓷体行之有效的方法之一。 CuO被认为是良好的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷烧结助剂，文献[28]表明：CuO的添加不仅有效地降低烧结温度，获得致密的陶瓷体，而且大大提高(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的Q m。表2为不同种类烧结助剂改性(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的性能，可以看出：Zuo 等[29]研究诸多氧化物(如ZnO、CdO、SnO2和CeO2等)对(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的烧结特性和电学性能影响，指出ZnO的添加促进烧结行为并获得高的电机械性能，其d33和k p分别为117pC/N和0.44。Bernard 等[30]研究新型烧结助剂(K和Na的锗酸盐)对(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的电学性能影响，当烧结助剂添加质量为1%时，1000℃烧成样品的相对密度为95.6%，达到低温烧结的效果并提高其性能，d33达到了120pC/N。Matsubara等[31–32]研究两种新颖烧结助剂(K4CuNb8O23和K5.4Cu1.3Ta10O29)对(Na0.5K0.5)NbO3 硅酸盐学报 · 514 ·2010年 表2 不同种类烧结助剂改性(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的性能 Table 2 Properties of modified (Na0.5K0.5)NbO3 ceramics with different sintering aids Category of sintering aid Bulk density/ (g·cm–3) Relative density/% Curie tempera- ture θC/℃ Piezoelectric constant d33 Planar coupling coefficient k p Relative dielectric constant εr Dielectric loss tg δ Mechanical quality factor Q m +1.5%CuO[28] — — 400 89pC/N 0.37 229 (10kHz) <0.032 (10kHz) 844 +1% ZnO[29] 4.37 97 418 117pC/N 0.44 652 (1kHz) 0.033 (1kHz) — 1% Na, K-Germanate[30] 4.31 95.6 — 120pC/N 0.40 397 (10kHz) 0.02 (10kHz) 77 +0.5% K4CuNb8O23[31] 4.40 97.6 411 180pm/V0.39 217 (1kHz) 0.016 (1kHz) 1200 +0.38% K5.4Cu1.3Ta10O29[32] 4.60 — 390 190pm/V0.41 — — 1300 +0.75% K5.4Cu1.3Ta10O29[33] — — 383 90pC/N 0.41 330 (1kHz) 0.003 (1kHz) 1530 Note: Theoretical bulk density (4.51g/cm3) was used to calculate relative density. 陶瓷的烧结行为和电学性能影响，结果表明：当K4CuNb8O23摩尔(下同)掺量为0.5%时，陶瓷体积密度达到4.40g/cm3，k p和Q m分别为0.39和1200，d33为180pm/V(施加40kV/cm的电场)；K5.4Cu1.3?Ta10O29添加量为0.38%时，陶瓷的体积密度达到4.60g/cm3，超过(Na0.5K0.5)NbO3的理论体积密度(4.51g/cm3)，这主要是因为陶瓷高度致密化并且K5.4Cu1.3Ta10O29和(Na0.5K0.5)NbO3发生反应所致，该陶瓷的k p和Q m分别为0.42和1200，d33为190 pm/V(施加40kV/cm的电场)。Matsubara等[32]证实烧结过程出现液相，从而促进陶瓷致密化。Lin等[33]也研究K5.4Cu1.3Ta10O29掺杂改性(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的压电性能和“硬性”行为，研究发现：K5.4Cu1.3Ta10O29掺杂量为0.75%时，陶瓷的Q m达到最大值(1530)。 2.3 A位和B位离子掺杂 尽管通过改善烧结工艺和添加烧结助剂的方法获得高致密度的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷体，但其压电性能还是偏低。近年来，对(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷进行A位、B位掺杂的研究取得了长足进步，制备出压电性能优良的(Na0.5K0.5)NbO3基复合陶瓷新体系。 2.3.1 A位离子掺杂(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷A位离子掺杂的研究主要包括Li+、Ag+和碱土金属离子(Mg2+、Ca2+、Sr2+及Ba2+)，其中研究最多的是Li+的掺杂。Guo等[25]首先研究A位Li+掺杂(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷[Li x(Na0.5K0.5)1–x NbO3]的相转变行为和压电性能，发现当Li掺杂量在5%～7%，有类似于PZT陶瓷的MPB行为，d33达到200～235pC/N，Curie温度更是超过450℃。此后，[Li x(Na0.5K0.5)1–x?NbO3]体系陶瓷的研究一直比较活跃，但压电性能水平基本维持在Guo等研究的水平。[34–42]另外，研究比较活跃的A位掺杂离子为Ag+，即[Ag x(Na0.5?K0.5)1–x NbO3]体系。[43–45] Lei等[44]研究结果表明：当Ag+掺杂量为18%时，陶瓷性能达到最佳，d33为186 pC/N，k p和θC分别为0.425和355℃。Malic等[46]系统研究A位掺杂碱土金属离子(Mg2+、Ca2+、Sr2+及Ba2+)对(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷性能影响，碱土金属离子的掺杂量均为0.5%，结果表明：Ca2+和Sr2+掺杂能够略微提高相对介电常数和压电常数。最近，Gao等[47]研究A位掺杂稀土元素La对(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷微观结构和电学性能的影响，当La掺杂量为1.25%时，d33能够提高到135pC/N。 2.3.2 B位离子掺杂(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷B位离子掺杂Ta和Sb的研究均有报道。Matsubara等[48–49]在添加烧结助剂研究的基础上(添加0.38% K5.4Cu1.3Ta10O29)，考察B位掺杂Ta对(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷[(Na0.5K0.5)(Ta x Nb1–x)O3]压电性能的影响，在Ta 掺杂量x=0.3时，得到应变量和d33分别为0.11%和270pm/V(施加40kV/cm的电场)的陶瓷。Lü等[50]系统研究(Na0.5K0.5)(Ta x Nb1–x)O3陶瓷的物理性能，在x=0.3时得到的陶瓷具有最大的压电常数d33= 205pC/N。Dambekalne等[51]在添加0.5%MnO2作为烧结助剂的基础上，研究B位掺杂Sb对(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷[(Na0.5K0.5)(Sb x Nb1–x)O3]压电性能的影响，当Sb掺杂量x=0.07时，获得的最大压电常数d33为192pC/N。 2.3.3 A位、B位离子复合掺杂目前，A位、B 位离子复合掺杂(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的研究是报道最多的，其中，如果A位离子掺杂Li+或Ag+，则B 位离子可以是Ta5+或Sb5+，[52–71]如果A位掺杂碱土金属离子，则相对应的B位离子为Ti4+。[72–80]最近，还有A位、B位都是三价掺杂离子的报道，如A位为Bi3+，B位为Fe3+、Sc3+等。[81–83] Saito等[12]在2004年报道Li和Ta共掺杂(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷具有优良的压电性能。Hollenstein等[52]、Guo等[53]和吴浪等[54]也都分别研究报道Li和Ta共掺杂 沈宗洋等：(Na, K)NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展· 515 ·第38卷第3期 (Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的压电性能，d33均在190～230 pC/N。Zhang等[57]制备的Li和Sb共掺杂(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷具有优良的压电性能，当掺杂 5.2%的LiSbO3时，陶瓷的d33达到265pC/N，纵向机电耦合系数(k33)更是高达0.62。此外，Wang等[65]研究的Ag和Sb共掺杂(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷d33为192pC/N。Wu等[70]研究的Li、Ag和Ta复合掺杂(Na0.5K0.5)?NbO3陶瓷d33能够达到252pC/N。Lin等[71]研究的Li、Ta和Sb复合掺杂(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷d33为271pC/N，k p达到0.53。 AETiO3(AE=Ca，Sr，Ba)掺杂改性(Na0.5K0.5)?NbO3也是具有潜力的无铅压电陶瓷复合体系。Guo 等[72]首先报道[(Na0.5K0.5)1–x Sr x](Nb1–x Ti x)O3陶瓷的压电性能，不过d33只有90～96pC/N。Cho等[74]报道的(Na0.5K0.5)NbO3–SrTiO3陶瓷的d33则能够达到220pC/N。Park等[75]报道的0.95(Na0.5K0.5)NbO3– 0.05CaTiO3陶瓷的d33高达241pC/N，烧成温度也才1050℃。Park等、[73] Ahn等[76]系统研究(Na0.5?K0.5)NbO3–BaTiO3陶瓷体系，认为该复合体系是最有前途的无铅压电陶瓷。BiMeO3(Me=Fe，Sc等)掺杂改性(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷是新型的无铅压电陶瓷体系。Sun等[81]在(Na0.5K0.5)NbO3–BiFeO3陶瓷体系中得到的最高d33为145pC/N，而Zuo等[82]在同一体系得到的d33为185pC/N。Du等[83]在(Na0.5?K0.5)NbO3–BiScO3陶瓷体系中得到的d33能够达到253pC/N。最近，报道了更为复杂体系的研究：Zhang等[84]研究(Na0.5K0.5)NbO3–LiSbO3–CaTiO3陶瓷体系的疲劳特性行为，得到温度稳定性好并且无疲劳行为的压电陶瓷，其d33为200pC/N。Li等[85]研究(Na0.5K0.5)NbO3–LiNbO3–BiFeO3–SrTiO3陶瓷体系的电学特性，获得的压电常数d15和d33分别为231 pC/N和155pC/N。Jiang等[86]在(Na0.5K0.5)NbO3– LiSbO3–BiFeO3陶瓷体系能够获得d33为260pC/N 的陶瓷。 3 n(Na)/n(K)偏离1:1的(Na，K)NbO3 基无铅压电陶瓷及其掺杂 对于(Na0.5K0.5)NbO3基无铅压电陶瓷及其掺杂研究，是基于1959年Egerton和Dillon报道的n(Na)/n(K)=1时具有最好的电机械性能。[8]近年来，研究发现：对n(Na)/n(K)比例进一步细致调节能够获得更高的压电性能。[23]事实上，通过近年来对n(Na)/n(K)偏离1:1的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷及其掺杂研究，发现富Na区能够获得更优异的电机械性能。[87–109] Saito等[12]2004年报道的LF4配方中n(Na)/n(K+Li)=0.52:0.48，其d33达到300pC/N。此后，文献[87，91–93，101，107]等均报道n(Na)/n(K+ Li)=0.52:0.48的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷掺杂研究，其压电常数都维持在高的水平(d33>250 pC/N)。特别地，Zuo等[105]在n(Na)/n(K+Li)=0.52: 0.48，通过Ta和Sb掺杂改性的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷体系中获得d33接近400pC/N的陶瓷。文献[89–90，97，104，108–109]均报道：在n(Na)/ n(K)偏离1:1的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷及其掺杂改性研究中取得了重要成果，将n(Na)/n(K)的比例固定为0.535:0.480，重点研究掺杂和烧成温度对陶瓷电学性能的影响。Zhao等[90]通过优化烧成温度，在组成为0.058LiNbO3–0.942[(Na0.535K0.480)NbO3]的陶瓷中获得的d33高达314pC/N，这个数值到目前仍然是单纯Li掺杂(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷报道中最高的。Wu等[93,99–100]专门研究Li和Ta共掺杂以及Li和Sb共掺杂(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷中，n(Na)/n(K)比例对陶瓷电学性能的影响，得到的性能最优陶瓷组分的n(Na)/n(K)比例也都是偏离1:1的。Dai等[23]最近研究(Na x K1–x)NbO3 (x= 0.48～0.54)无铅压电陶瓷的MPB和电学性能，结果发现：当x=0.52时，陶瓷d33达到160pC/N，这个数值和采用热压烧结法制备的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷的一样高，其研究结果对考虑优化Na/K比例来设计和制备新的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷提供了有益指导。 图4为部分掺杂改性(Na，K)NbO3基无铅压电 图4 部分掺杂改性(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷d33和Curie温度关系 Fig.4 Relationship between piezoelectric constant (d33) and Curie temperature in some doped (Na,K)NbO3-based lead-free piezoceramics 硅酸盐学报 · 516 ·2010年 陶瓷d33和θC关系。从目前的研究来看，Li、Ta和Sb共掺杂(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷能够获得更高的d33值，但θC相对较低。单纯Li掺杂(Na，K)?NbO3基无铅压电陶瓷也能获得高的d33值，而且θC 均在450℃以上，在高Curie温度压电陶瓷领域具有广阔的应用前景。AETiO3掺杂(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的性能还有待进一步提高。 4 (Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷基础 理论及应用 众所周知，对于压电陶瓷体系而言，MPB具有重要的意义。[2]含铅PZT系陶瓷中，组分位于MPB 附近的陶瓷具有高的压电性能。在KNbO3–NaNbO3体系中，尽管1959年Egerton和Dillon报道(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷具有最高的机电耦合系数，但直到1968年，Tennery和Hang才报道KNbO3– NaNbO3体系中25℃、当NaNbO3含量大约在52.5%时，存在MPB。[22]最近Dai等[23]研究发现：(Na x K1–x)NbO3陶瓷体系中，当x=0.52～0.525时，存在典型的单斜相–正交相MPB，并且当x=0.52时，陶瓷d33具有最大值160pC/N。 在最初(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷掺杂改性研究中，始终是以形成新的MPB为理论指导，以期制备出高性能的无铅压电陶瓷，[41,44,53]但是，随着对(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷实验研究的深入，发现掺杂改性(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷高性能的获得和传统意义上的MPB并非完全相同，而是多型相变(polymorphic phase transition，PPT)行为。[103,107,110] Dai等[110]通过研究(Na0.5K0.5)NbO3– LiTaO3陶瓷体系的相转变行为，揭示了多型相界PPT和典型的MPB之间的区别，如图5所示。 纯(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷具有两个显著的相转变温度点420℃和200℃，分别对应立方相→四方相(θC)和四方相→正交相(θO–T)相转变点。随着LiTaO3的掺入，θO–T向低温方向移动，当θO–T移动至室温附近时，四方相和正交相共存从而获得高的压电性能。[110–111]这种在室温附近类似于典型MPB的行为特征，事实上是PPT行为，如图5a所示。PPT 和MPB行为特征的最大区别在于对温度的依赖性。对于图5a中的PPT行为，组成的改变导致θO–T的改变，因此只有当某一组成的θO–T在室温附近时，才能获得高的压电性能；并且在这一组成下，当温度改变时，因共存相变的不稳定而向正交相或四方相转变，导致压电性能随温度变化明显。对于图 5b 图5 PPT和MPB的区别[110] Fig.5 Difference between the polymorphic phase transition (PPT) and the morphotropic phase boundary (MPB)[110] T—Tetragonal; O—Orthorhombic; R—Rhombohedral. 的典型的MPB行为则不同，当在某一组成下获得共存相时，对温度基本保持稳定。基于PPT行为特性的理论研究，使高性能(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷在环境温度变化条件下的应用受到明显限制，因此，研究人员在改善温度稳定性方面做了很多工作，并且取得了较好进展。[112–116] (Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的基础理论研究还有很多的工作要做，其研究对推动(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的发展至关重要。 最近，与掺杂改性的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷材料相关器件应用研究的报道慢慢增多。[117–123]根据目前的研究进展来看，(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的Q m相对偏低，[124]虽然通过掺杂改性可以提高Q m，但同时其d33明显降低，[125]使(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷在驱动器应用方面受到限制；然而，(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷在超声换能器应用方面前景广阔，较低的Q m反而能增宽脉冲回波信号带宽，同时(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的介电常数也不高，正好有利于提高接收电压的灵敏度。[126]以掺杂改性的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷制作的高频超声换能器的报道就很好地说明 沈宗洋等：(Na, K)NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展· 517 ·第38卷第3期 了这点。[121–123]另外，Shen等[127]以Li和Ta共掺杂改性的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷为组元，采用改进的切割–填充法制备微细1–3型压电陶瓷/环氧树脂复合材料，该材料具有单一的厚度谐振模式，谐振频率大于3.5MHz，不仅可以用来制作高分辨超声探头，在体外医疗诊断发挥巨大作用，而且由于该材料不含任何有毒元素，在微型医疗器件，如血管中的微型导管、癌细胞定向攻击微型超声波发生器以及人体植入式诊断应用等方面也显示出巨大的应用前景。(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷的应用研究无疑将大大推动其材料研究的发展。 5 结束语 (Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷是最有希望取代含铅PZT系陶瓷走向实用化的陶瓷体系，是现在国内外研究的热点。从(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷掺杂改性研究情况来看，以(Na0.5K0.5)NbO3为基进行掺杂改性仍然很多，但似乎n(Na)/n(K)偏离1:1并且富Na的情况下更能获得优异的压电性能；另外，B位掺杂Sb虽然能够获得更高的性能，但是一方面由于Sb也具有毒性，另一方面Sb的掺入可明显降低Curie温度，因此，不掺杂或者尽量少掺杂Sb的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷更能真正地实现环境友好。单纯Li掺杂改性(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷在高Curie温度压电陶瓷研究领域有着诱人的前景。当然，通过掺杂改性，在(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷体系中获得传统意义上的MPB，实现高性能突破，是今后主要的研究方向；同时，随着电子元器件向小型化、集成化发展，(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷薄膜材料及其在微机电系统(micro- electro-mechanical systems，MEMS)中的应用研究也将成为今后的研究热点。 参考文献： [1] 张佩森, 钟维烈. 压电陶瓷及应用[M]. 山东: 山东人民出版社, 1974: 253–317. 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J Appl Phys, 2009, 105: 104103. 关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有 (完整)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究的全部内容。 BNT无铅压电陶瓷的制备及进展研究 摘要:随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷以其良好的电学性能和较高的的居里温度等特点成为当前铁电压电材料及其应用研究的热点之一。本文主要介绍了Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷的研究现状、制备工艺及其发展与实际应用。 关键词：BNT基无铅压电陶瓷、制备工艺、研究进展、改性研究. 引言:材料是人类生活和生产活动必需的物质基础，同人类文明密切相关。历史上，人们把材料作为人类进步的里程碑，如“石器时代”、“铜器时代”、“铁器时代”等。到20世纪60年代，人们把材料、信息、能源誉为当代文明的三大支柱；20世纪70年代又把新材料、信息技术、生物技术作为新科技革命的主要标志,现在这些技术仍然是21世纪发展的主导。现代科学技术发展的历史表明，材料对推动科学技术的发展极其重要。随着信息时代的到来，各种具有优异性能的新型无机材料开始受到人们的关注和重视。20世纪80年代以来，随着高科技的兴起和发展，需要许多能满足高科技要求的新材料，其中大部分属于功能材料.因此，材料开发的重点越来越转向功能材料。可以说,研究功能材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能之间的关系和规律，己经成为一门新的学科. 压电材料是功能材料的重要组成部分，是实现机械能(包括声能)与电能之间转换的重要功能材料，其应用己遍及人类日常生活的各个方面,由于其在信息、激光、导航和生物等高技术领域占有重要的地位，因此对它的研究在无机材料研究领域中非常活跃并具有诱人的前景。压电陶瓷是重要的机一电能量转换材料,其应用领域广泛，在国民经济中占有重要地位。压电陶瓷主要用于声纳(军用）、医疗设备、电视、通讯、导航及自动化.压电驱动器和超声马达构成的灵巧器件，是最近的重要发展方向。2000年，美国Business ComunicationCO。发表了长达174页的压电材料研究发展及市场的调查报告，认为这种材料具有许多重要应用领域及发展前景，并列举出44项新应 压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏） 渭南师范学院 本科毕业论文 题目：无铅压电陶瓷的制备及其研究进展专业：材料化学 学院：化学与生命科学学院 毕业年份：2013 姓名：丁妮 学号：090944080 指导教师：李俊燕 职称：讲师 渭南师范学院教务处制 无铅压电陶瓷的制备及其研究进展 丁妮 (渭南师范学院化学与生命科学学院材料科学系09级1班) 摘要：无铅压电陶瓷的开发和应用已经成为各个国家的研究热点。因此本文总结了粉体的合成方法和无铅压电陶瓷的制备技术，并分析了当前应用最多的五类无铅压电陶瓷的特点和性能，最后指出其未来发展趋势。 关键词：无铅压电陶瓷；制备方法；水热法；陶瓷晶粒定向技术 压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能之间转换的新型功能材料，与压电晶体相比，具有易制成复杂形状、成本低、机电耦合系数大、压电性能可调节性好以及优越的光、电、热、磁力学性能和化学稳定性等优点，已广泛用于电子、通信、航空、发电、探测、冶金、计算机等诸多领域[1]。传统压电陶瓷主要是以含铅的锆钛酸铅(PZT)系材料为主，其主要成分是氧化铅(60～70%以上)。氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境造成损害。PbO的挥发也会造成陶瓷中的化学计量比的偏离，使产品的一致性和重复性降低，需要密封烧结，使成本提高[2-6]。因此，研究开发高性能的无铅压电陶瓷具有非常重要的科学意义和紧迫的市场需求，逐渐成为研究的热点。特别是我国加入WTO后，能否成功开发出具有原始创新性的、拥有自主知识产权的、性能优良的无铅压电陶瓷体系，对我国压电陶瓷产业来说，既是严峻的生存挑战，又是腾飞的机遇。 1 无铅压电陶瓷的概念和分类 无铅压电陶瓷是指不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有满意的使用性又有良好的环境协调性的压电陶瓷，它要求材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质，在制备、使用及废弃后处理过程中不产生可能对环境有害的物质，也不对人类及生态环境造成危害[7]。 目前研究的无铅压电陶瓷材料按组成可分为以下几类：钛酸钡基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、Na0.5Bi0.5TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、钨青铜结构无铅压电陶瓷和铋层状结构无铅压电陶瓷。这些材料和传统的PZT基压电陶瓷相比，虽然有各自的特点，但压电性能比较差，不能完全取代目前广泛使用的PZT基压电陶瓷，为了提高无铅压电陶瓷的压电性能，人们已经在改变组分、掺杂改性等方面进行了大量的研究。作为无铅压电陶瓷材料研究、应用的基础，制备方法在提高无铅压电陶瓷性能方面显得尤为重要。 2 无铅压电陶瓷的制备方法 2.1 粉体制备方法 目前，固相法由于具有成本低、产量高以及制备工艺较简单等优点而成为无铅压电陶瓷最常用的制备方法，但是通过该方法制备的粉体，各种原料很难混合均匀，易混入杂质，且粉料活性较差，煅烧温度高，易造成组分的挥发，影响烧结样品的致密化，从而降低了样品性能。近几年来，人们开始研究软化学法制备陶瓷粉体以克服传统工艺的不足。软化学合成方法由于具有化学计量比准确、化学均匀性高以及成相温度低、致密化程度高、电学性能优异等优点而备受青睐。目前，制备无铅压电陶瓷的软化学方法主要有共沉淀法、溶胶-凝胶法、熔盐法和水热法等[8]。 2.1.1 共沉淀法 共沉淀法为在含有多种金属离子的溶液中加入沉淀剂利用Ksp作为理论依据，使金属离子完全、同时沉淀[9]。 杜仕国等[10]将草酸滴人BaCl2和TiCl4(或Ti(NO3)4、Ba(N03)2)的混合水溶液中，得BaTi(C2O4)2·4H2O的高纯度沉淀，经过滤、洗涤、热分解后，得到BaTiO3纳米微粒。因为共沉淀法在制备过程中就能完成反应及掺杂过程，故也可用于功能陶瓷的制备，如以H2Ti03、H2O2、NH3和Ca(NO3)2为原料，合成出CaTiO3。此法也可用于制备ZrO2基陶瓷粉体，如 碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法 压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用 摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。 关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展 引言 1880年皮埃尔?居里和雅克?居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。1894年，德国物理学家沃德马?沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。[1] 石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。 除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。 1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。如今,随着应用范围的不断扩大以及制备技术的提升,更多高性能的环保型压电材料也正在研究中。 一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理 压电效应包含正压电效应与逆压电效应，当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，而逆压电效应是把电能转换为机械能。 1.1压电效应原理 毕业论文开题报告 应用物理 无铅压电陶瓷的制备 一、选题的背景与意义 铁电压电陶瓷作为一种非常有用的功能材料已经深入我们的生活，它在许多的电子产品上有着重要的功能，目前压电陶瓷主要是以锆钛酸铅(PZT)为基通过掺杂制得的，由于PZT中含有污染环境的Pb，所以国际上对电子产品中Pb的含量有着严格的限制，并且PZT在烧结时它的主要成分PbO2（高达60%-70%）会产生严重的挥发，所以在制备的过程中需要密封烧结，不仅增加了成本，也使得产品的性能有所下降．为解决目前压电陶瓷中Pb对环境的污染问题，提高产品的性能，降低生产成本，大力发展无铅铁电压电陶瓷就非常具有现实意义．基于无铅压电陶瓷必定会在未来取代有铅压电陶瓷，所以国家对此项目也十分的支持，无铅压电陶瓷的性能研究和制备技术已得到国家＂十五＂和＂863＂高技术新材料特种功能材料领域的支持。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题 在所有无铅压电陶瓷中，(Bi0.5Na0.5)TiO3是一种有前途的基材料。BNT在室温下具有较强的铁电性，相当大的剩余极化强度Pr=3.8×10-5C/cm2，也具有相对较高的居里温度Tc=320℃，但是它有较高的矫顽场强Ec=73kv/cm,难以极化，并且在去极化温度T d=220℃时会发生退极化，失去压电性，相对PZT它对温度的稳定性也较差，所以，有必要提高BNT的压电性能，并且适当降低它的矫顽电场。由BNT－BT组成的二元系可能具有较低的矫顽电场，使陶瓷极化较容易。并且掺入适当的KNbO3可使晶粒择优定向生长，可获得性能良好的无铅压电陶瓷。 研究的基本内容： 1.本课题主要的研究内容是利用固相法以及分析纯氧化物Bi2O3(99.9%), Na2CO3 (99.8%), BaCO3(99%), TiO2(99%) and K2CO3(99%), Nb2O5(99.5%)制备出三元无铅的Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3（BNT-BT-KN）陶瓷。 制备所利用的原理： Bi2O3+NaCO3+TiO3煅烧(Bi1/2Na1/2)TiO3+CO2 BaCO3+TiO3煅烧BaTiO3+CO2 K2CO3+Nb2O5煅烧KNbO3+CO2 第25卷第3期2010年3月 无机材料学报Jour nal of I norgan i cM aterials V o.l 25,No .3 Mar .,2010 文章编号:10002324X(2010)0320225205 DO I :10.3724/SP.J .1077.2010.00225 收稿日期: 2009206220,收到修改稿日期: 2009208213 基金项目: 国家自然科学基金(60601020);北京市自然科学基金(4072006);北京市科技新星计划(2007A014)作者简介: 侯育冬(1974-),男,博士,副教授.E 2ma i :l ydhou@b j u t .edu .cn Bi A l O 3基高温无铅压电陶瓷的研究进展 侯育冬,崔磊,王赛,王超,朱满康,严辉 (北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124) 摘要:铝酸铋(B i A l O 3)是近年发现的一种新型钙钛矿结构无铅压电材料,在-133e 到550e 的温度范围内不存在结构相变,适合作为高温压电器件材料使用.本文从理论计算,高压合成工艺和添加第二组元等方面归纳和分析了B i A l O 3基无铅陶瓷的研究进展和趋势,评述了现有研究中存在的问题和不足,并对B i A l O 3基无铅压电陶瓷今后的研究和发展提出一些建议. 关 键 词:高温压电陶瓷;铝酸铋;钙钛矿结构中图分类号:T M 282 文献标识码:A P rogress in R esea rch on B i A l O 32based H igh T e m pera ture L ead 2free P iezoelectr ic Ceram ics HO U Yu 2Dong ,CU I Le,i WANG Sa,i WANG Chao ,Z HU M an 2Kang ,Y AN H u i (College ofMateri als Science and Engi neeri ng ,Beiji ng Un i versity ofTechnology ,Beiji ng 100124,China) A bstra ct :The b is muth a l u m inate (Bi A l O 3)is a ne w developed lead 2f ree piez oelectric materialw it h perovs 2kite structure .Bi A l O 3has no structura l phase transiti o ns bet w een -133e and 550e ,wh ich i n dica tes that it is suitab le to be applied in h i g h te mperature p iez oelectric device .I n this paper ,the research progress and trends on Bi A l O 3based cera m ics are revie wed w ith e mphases on t h e t h eoretica l calcu lation ,high pressure syn t h etic technology and the additi o n of t h e second co mpound .The li m itation and proble ms in t h e recent wor ks are d iscussed ,and so me i d eas f or f u rther deve l o pment of Bi A l O 3based cera m ics are suggested .K ey words :h i g h te mperature piez oelectric cera m ics ;Bi A l O 3;perovskite struct u re 压电陶瓷可以实现机械能与电能的相互转换,是一类重要的功能材料,已广泛应用于通信、电子、冶金和机械等诸多领域.近10年来,随着航天航空、石油化工、地质勘探、核能发电、汽车制造等工业的迅猛发展,电子设备需要在更高温度下工作,对高温压电材料和器件的需求越来越迫切.例如:在汽车中工作的动态燃料注射喷嘴工作温度高达300e ;油井下使用的声波测井换能器工作温度也达到200~300e .作为高温压电陶瓷材料,必须在较高温度下(>400e )不出现结构相变以保证不发生高温退极化现象而劣化压电器件的温度稳定性.但是,目前商业化应用的压电陶瓷仍以钙钛矿结构的锆钛酸铅Pb(Zr ,T i)O 3(缩写为PZ T )体系为主,这类材料的居里温度低于400e (一般在250~380e ),由于热激活老化过程,其安全使用温度被限制在居里温度的 1/2处,仅适于常规条件下使用[1] . 2001年,美国宾州州立大学的E itel 等研究发现,PbT i O 32BiSc O 3体系存在准同型相界结构(MPB),具有高居里温度(T c >450e )和优良压电性能,可以满足高温压电换能器件的使用需要[2] .这一发现引发了国内外的研究热潮,针对PbT i O 32BiSc O 3体系的掺杂与复合改性开展了许多工作[324].尽管PbT i O 32BiSc O 3体系性能优异,部分甚至已经商用于高温压电换能器,但是与传统的PZ T 体系一样,这类材料的共同缺点是含铅.铅基材料在生产、使用及废弃处理过程中会污染环境,给生物和人类健康带来很大危害[526] .因而,研究和开发具有优良压电性能的高温无铅压电陶瓷材料具有重大的经济价值和社会意义. 1 钙钛矿结构无铅压电陶瓷 压电陶瓷根据其晶体结构一般可分为三种类型: CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2008年第27卷第1期 ·16· 化 工 进 展 高温压电陶瓷材料研究进展 李庆利，曹建新，赵丽媛，吕剑明，范冠锋 （贵州大学化学工程学院，贵州 贵阳 550003） 摘 要：随着高新技术的迅速发展，对压电器件工作温度的要求越来越高，因此高温压电陶瓷材料成为近几年研究的热点之一。介绍了国内外学者对钙钛矿结构、钨青铜结构和铋层状结构压电陶瓷进行改性，获得一系列高温压电陶瓷材料的研究现状。展望了高温压电陶瓷材料的发展前景，并对其今后的研究方向提出了建议。 关键词：高温压电陶瓷；改性；钙钛矿结构；钨青铜结构；铋层状结构 中图分类号：TM 282 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2008）01–0016–05 Research progress in high temperature piezoceramics LI Qingli ，CAO Jianxin ，ZHAO Liyuan ，Lü Jianming ，F AN Guanfeng (College of Chemical Engineering ，Guizhou University ，Guiyang 550003，Guizhou ，China) Abstract ：Along with the rapid development of high-technology ，the operation temperature of piezoelectric devices are getting higher and higher ，consequently ，the high temperature piezoceramics has become one of the research focuses of piezoceramics. In this paper ，the research status of modified perovskite ，tungsten bronze and bismuth layer structure of high temperature piezoceramics is introduced. The prospect of the high temperature piezoceramics is presented ，and suggestions for its future research are made. Key words ：high temperature piezoceramics ；modification ；perovskite structure ；tungsten bronze structure ；Bi-layer structure 作为一种新型功能材料，高温压电陶瓷被广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域。但是，目前商业化应用的锆钛酸铅体系压电陶瓷的居里温度一般在250～380 ℃，由于热激活老化过程，其安全使用温度被限制在居里温度的1/2处。压电性能优良，使用温度低于400 ℃的高温压电陶瓷材料已经不能满足当前高新技术发展的要求。此外，商用高温传感器所采用的压电材料仅限于LiNbO 3等单晶材料，生产工艺复杂，价格极其昂贵，而且国内目前尚无性能优良、使用温度高于350 ℃的高温压电陶瓷传感器产品，国外对这类器件的研究 报道也很少[1－ 4]。因此，高温压电陶瓷材料成为近几年来研究的热点，各种新成果、新技术不断涌现。本文综述了高温压电陶瓷材料的最新研究进展。 1 钙钛矿结构高温压电陶瓷材料 2.1 改性钛酸铅压电陶瓷 纯钛酸铅在常温下为四方钙钛矿型结构，介电 常数小，压电性能高，压电各向异性大，居里温度 高（T C =490 ℃） ，因而适于在高温下工作。但是，由于纯钛酸铅陶瓷难以烧结，当晶体冷却通过居里点时，在内应力作用下易自行开裂；大的轴向比率使得其矫顽场大，难以极化。为此，很多研究者采用掺杂形成固熔体的方法来解决这一问题，并取得 了较好的研究成果（见表1[5－ 12]） 。 宴伯武等[5]选用居里点较高的复合钙钛矿型化 合物Pb (Cd 4/9Nb 2/9W 3/9 )O 3（T C =495 ℃）对PbTiO 3进行B 位取代，并掺杂适量MnO 2抑制晶粒的过分生长，以形成均匀细密的内部结构，制备了0.2PCNW-0.8PT-x MnO 2陶瓷。这种陶瓷材料在 x =1.0%时，系统k t 可达0.45， T C ≥480℃，T 33ε在200收稿日期：2007–07–13；修改稿日期：2007–08–13。 基金项目：贵州省优秀科技教育人才省长专项基金（2005-111）及贵州省科技攻关计划项目［黔科合GY 字（2006）3030］。 第一作者简介：李庆利（1981—），男，硕士研究生。E –mail pie_ql@https://www.doczj.com/doc/486230846.html, 。联系人：曹建新，教授，硕士生导师，主要从事高性能无机材料研究。电话 0851–4733010；E –mail jxcao@https://www.doczj.com/doc/486230846.html, 。 压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。 迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成： 碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强，因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 1引言 碳纳米管(CNTs)在2004年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料,它 的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价，储锂的容量增大；第三，碳纳米管具有良好的导 无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景 Tadashi Takenaka，Hajime Nagata Faculty of Science and Technology，Tokyo University of Science，Y amazaki 2641，Nada， Chiba-ken 278-8510，Japan 摘要：钙钛矿结构的陶瓷和铋层结构BLSF陶瓷因具有优良的绝缘性、铁电性和压电性，成为污染环境的含铅压电陶瓷的良好替代材料。钙钛矿陶瓷广泛应用于高能换能器，具有较高的压电常数d33(>300pC/N)和高的居里温度Tc(>200℃)。采用固相法制备的BaTiO3，即(1-x) BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3[BTBK-100x]陶瓷,Tc随着x的增加而增加。BTBK-20+MnCO30.1wt%陶瓷显示出高的Tc（~200℃），同时机电耦合系数k33=0.35。固相法得到的a Bi0.5Na0.5)TiO3-b BaTiO3-c Bi0.5K0.5)TiO3[BNBK(100a/100b/100c)陶瓷,相对于BNBK(85.2/2.8/12)的d33和Tc 分别为191pC/N和301℃。另一方面，BLSF陶瓷是优良的高温压电传感器和具有高机械品质因数Qm的陶瓷共振器，并且在低温下谐振频繁(Tc-f r)。施主掺杂Bi4Ti3O12的陶瓷例如Bi4Ti3-x Nb x O12[BINT-x]和Bi4Ti3-x V x O12[BIVT-x]表现出高的Tc（~650℃）。BINT-0.08陶瓷初始晶粒的k33值为0.39并在350℃时保持这一值。基于固相体系的Bi3TiTaO9(BTT)Sr x-1Bi4-x Ti2-x Ta x O9[SBTT2(x)](1≤x≤2)在x=1.25的P型半导体中表现出高的Qm值(=13500)。 关键词：铁电性，压电性，钙钛矿，铋层结构铁电体 1. 前言 压电性是电子和机电材料表现出来的重要性质。应用最广泛的压电材料是三元系的PbTiO3-PbZrO3(PZT)。然而，近年来为了环境保护人们期望使用无铅材料。例如，欧盟将在电子和电器设备(WEEE)方面执行立法草案,限制有毒物质(RoHS)的排放和控制生活交通工具(ELF)。因此，无铅压电材料作为PZT陶瓷的替代材料吸引了广泛的注意力。 无铅压电材料，如压电单晶，有钙钛矿结构的铁电陶瓷，以及钨青铜和铋层结构铁电陶瓷(BLSF)已有报道。然而，没有哪种材料显示出优于PZT体系的压电性能。为了替代PZT体系，要求划分和发展各种应用领域的压电性能。例如，钙钛矿陶瓷能够应用于高能态的调节器。另一方面，铋层结构铁电陶瓷(BLSF)可应用于陶瓷过滤和谐振器的可选择材料。 本文将详细介绍钙钛矿铁电陶瓷和BLSF陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性，这两种陶瓷是可优先选择并能减少对环境损害的无铅压电材料。 无铅压电陶瓷厚膜的研究进展 （西安建筑科技大学材料学院，西安 710055 ） 摘要：近年来随着人们对环境问题的重视，无铅压电陶瓷的研究成为热点。无铅压电厚膜因其特殊的电学性能在生活中具有广泛的应用。本文从丝网印刷法、复合溶胶-凝胶法、流延成型法、气溶胶沉淀法、电泳沉积法等方面综述了近年来无铅压电厚膜的制备方法，归纳了无铅厚膜的研究热点和研究进展。然而无铅粉体掺杂改性和粉体晶粒定向生长的内在物理机制的研究还未成熟。织构化陶瓷的制备工艺和更低的烧结温度及多种工艺的结合使用制备厚膜应成为今后的研究重点，为制备高性能的无铅压电陶瓷厚膜打下良好的基础。 关键词：无铅压电陶瓷;制备方法; 厚膜 中文图书分类号：TB34文献标识码：A Abstract:Recentlytheresearchoflead-freepiezoelectricceramichasattractedconsiderableattentionwithimprov ementofenvironmentprotection.Thethickfilmsoflead-freepiezoelectricceramichavebeenwidelyusedwithitsex cellentproperties.Inthispaperwesummarizedthelatestfabricationmethodsandresearchprogressofthethickfilmsf romscreenprinting, sol-gel, tape-casting,aerosol-deposited,electrophoreticdepositionetal. However，theinnerphysicalmechanismresearchofthemodificationoflead-freepowderdopedandtemplategraingrowtharest illimmature.Theprocesstofabricatetexturedlead-freepiezoelectricceramicandlowersinteringtemperatureandth euniteofvariousprocesswouldbeemphasizedinthefuture,whichwilllayagoodfoundationforthepreparationofhig h-performancelead-freepiezoelectricceramicthick-film. Keywords:lead-freepiezoelectricceramic;fabricationmethod; thickfilm 1.引言 压电陶瓷是一种将机械能与电能相互转化的功能材料，在传感器、微泵、振荡器、换能器、滤波器、微位移器和制动器等方面具有广泛的应用[1-3]。在使用温度下它具有稳定的化学、物理性能。目前被广泛应用的压电陶瓷体系大多是铅基压电陶瓷，如锆钛酸铅基（PZT）压电陶瓷[4]。但在PZT陶瓷体系中，氧化铅（PbO）的含量通常在60wt%以上，而氧化铅在陶瓷成型烧结中具有较强的挥发性，不仅对人体的健康、环境造成危害，而且使烧结过程中陶瓷的化学计量比偏离原配方，给陶瓷的制作工艺和产品的稳定性带来诸多问题，使陶瓷的性能降低。含铅器件废弃后回收进行无公害处理所需的成本甚至高于制造成本[5]。近年来随着人们对环境保护的重视和市场对压电材料需求的增大，研发新型环境友好的铁电、压电材料已成为世界发达国家致力研发的热点材料之一[6]。 压电厚膜厚膜材料厚度一般在10μm-100μm之间。其与薄膜材料相比电性受界面表面等影响较小，较大的厚度能够产生较强的驱动力且具有高灵敏度和宽工作频率[7]。与压电块体材料相比，压电厚膜驱动电压低（﹤5V），使用频率高，能够与半导体工艺兼 摘要：本文阐述了各类新型压电材料的性能和应用。从压电材料的压电效应入手，介绍了压电材料的分类及发展应用。针对不同类型的压电材料在实际生活中的应用情况，概述了近年压电材料的研究状况，并系统地简介了压电材料在各个领域的应用和发展。 关键词：压电材料压电效应压电材料的分类研究方向实际应用压电材料的应用遍及大家日常生活的各个角落，人们几乎每天都在应用压电材料。香烟、电热水器、汽车发动机等的点火装置要用到压电点火器；电子手表、声控门、电话等要用到压电谐振器或者是蜂鸣器；收音机要用到压电微音器、压电扬声器；数码相机要用到压电马达等等。 压电材料不仅在工业和民用产品上使用广泛，在军事上也有大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。 压电材料还应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。 一、压电材料与压电效应 1880年，法国物理学家居里兄弟发现：把重物放在石英晶体上，晶体的表面会产生电荷，产生的电荷量与其承受的压力成比例，这一发现被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应：即在外电场作用下，压电体会产生形变。 压电效应表现为：当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生形变时，其内部会发生极化现象，同时在它的两端出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当去除外力后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，逆压电效应是把电能转换为机械能。 二、压电材料的分类 我们可以将压电材料分为以下六类： （1）单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；关于碳纳米管的研究进展综述
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