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压电陶瓷是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小,都会产生压缩或伸长等形状变化,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.1880年法国人居里兄弟发现了"压电效应”.1942年，第一个压电陶瓷材料--钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。
1947年,钛酸钡拾音器—-第一个压电陶瓷器件诞生了。
50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料-—锆钛酸铅研制成功.从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。
60年代到70年代,压电陶瓷不断改进，逐趋完美。
如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。
这些材料性能优异，制造简单,成本低廉,应用广泛。
80年代后期至今，人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料，在此基础上有成功研制出驰豫铁电体单晶材料,为三维超声波成像奠定了基础。
目前，人们将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上已取得新的突破。
从表中可看到，锆钛酸铅材料是当前性能较好应用最广的材料,通过改性，性能还可进一步改善，能够用于制作各种压电器件。
上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb （Mg1/3Nb2/3）(ZrTi）O3，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面.如铌锌酸铅系Ｐb(Zn1/3Nb2/3）(ZrTi)O3,主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。
近年来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)（ZrTi）O3，Pb（Mn1/2Ni1/2）(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。
目前，世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷，以保护环境和追求健康，预计2008后形成产业化生产。
压电陶瓷材料的研究现状与发展趋势
雷淑梅;匡同春;白晓军;成晓玲;向雄志;谢致微;叶永权
【期刊名称】《佛山陶瓷》
【年(卷),期】2005(15)3
【摘要】本文主要概述了国内外关于压电陶瓷材料的发展历史进程和研究现状,探讨了其发展趋势和应用前景;指出了现代压电陶瓷材料正在向着复合化、薄膜化、无铅化及纳米化方向发展,应用前景广阔,是一种极有发展潜力的材料.
【总页数】4页(P36-39)
【作者】雷淑梅;匡同春;白晓军;成晓玲;向雄志;谢致微;叶永权
【作者单位】广东工业大学材料与能源学院,广州,510090;广东工业大学材料与能源学院,广州,510090;广东工业大学材料与能源学院,广州,510090;广东工业大学材料与能源学院,广州,510090;广东工业大学材料与能源学院,广州,510090;广东工业大学材料与能源学院,广州,510090;广东工业大学材料与能源学院,广州,510090【正文语种】中文
【中图分类】TS218
【相关文献】
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2.无铅压电陶瓷材料的研究现状 [J], 吴思华;王平;付鹏
3.压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势 [J], 李环亭;孙晓红;陈志伟
4.掺杂PZT压电陶瓷材料的研制及其发展趋势 [J], 陈聪
5.无铅压电陶瓷材料研究现状 [J], 郝俊杰;李龙土;王晓慧;桂治轮
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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。
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。
国内先进陶瓷状况与发展机遇和挑战随着现代科学技术的高速发展，迫切要求研制与发展具有特殊性能的新一代先进陶瓷材料。
这是因为先进陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀以及优异的电学性能、光学性能、化学稳定性和生物相容性等优点，从而在航天航空、国防军工、机械化工、生物医疗、信息电子、核电与新能源等领域得到越来越多的应用，已成为国家某些重大工程和尖端技术中不可或缺的关键材料，因此具有重要的科学价值和国家战略意义。
近二十年来，在国家重大工程和尖端技术中对陶瓷材料及其制备技术也提出了更高的要求和挑战。
例如航天工业火箭发射中液氢液氧涡轮泵用的Si 3N 4陶瓷轴承在无润滑状态下高速运转、激光武器需使用大尺寸大功率Nd-YAG 激光透明陶瓷、地球卫星对地监测使用的SiC 陶瓷反射镜、大规模集成电路用高导热AlN 陶瓷基板、减少汽车尾气污染的蜂窝陶瓷催化剂载体、智能终端产品和油电混动车用小型化和高频化MLCC 等。
这些例子充分显示了新一代先进陶瓷材料对现代科学技术发展至关重要。
特别是近年来由于各种高纯氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷的快速发展，加快了国内对先进陶瓷的研发及量产步伐，尽量缩小与世界先进陶瓷发达国家的差距。
本文结合国内先进陶瓷发展现状，剖析了产业分布及产品应用状况，指出了国内先进陶瓷行业目前所面临的问题、机遇与挑战。
1、国内先进陶瓷研发与产业分布国内从事先进陶瓷研究与开发的高等院校和科研院所已达100多个单位，如清华大学、中科院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学和武汉理工大学等，为企业发展在一定程度上提供了技术支撑。
这些单位研制的透明透波陶瓷、激光陶瓷、超高温陶瓷、陶瓷切削刀具、高温陶瓷基复合材料及其他功能陶瓷材料的性能都接近或达到国际先进水平，许多技术和产品已实现产业化。
国内先进陶瓷产业分布主要集中在广东、江苏、山东，以及江西、湖南、浙江、河南、河北等地，其中广东、江苏、山东三省的先进陶瓷产业集中度高，在技术和产品方面具有竞争力，图1为国内结构陶瓷代表性企业分布图。
第25卷第4期 硅 酸 盐 通 报 Vol .25 No .4 2006年8月 BULLETI N OF T HE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY August,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(BaTi 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New Headways and New Appli ca ti on s of P i ezoceram i csa t Ho m e and AbroadL I X iao 2Juan,L I Q uan 2L u,X IE M iao 2X ia,HAO Shu 2Juan,YAN G Gui 2kao,ZHOU J iu 2ru,MA Q ing(School of Physics and I nfor mati on Technol ogy,Shaanxi Nor mal University,Xi πan 710062)Abstract:This paper su mmarizes the ne w head way and ne w app licati on of p iez oelectric cera m ic materials at home and abr oad in recent years,and a series of i m p r ove ments in order t o make the m fully app lied in the p r oducti on were p r oposed,including the p iez oelectric cera m ic of PZT with lead,the lead 2free p iez oelectric cera m ic with bis muth layer structure,the p iez oelectric cera m ic of BNT and p iez oelectric cera m ic BaTi O 3.I n additi on,ne w devel opment trends of p iez oelectric cera m ic were intr oduced .Key words:p iez oelectric cera m ic materials;ne w head way;ne w app licati on;devel opment 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(03JK061).作者简介:李晓娟(19782),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2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 mnpq 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 =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Fig .1 Sketch map of bound charge in cera m icsand freecharge on pole 图2 正压电效应示意图Fig .2 Sketch map of direct piez oelectric effect图3 逆压电效应示意图Fig .3 Sketch map of converse p iezoelectric effect 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 Ti 12x )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1200～1300℃。
然而,氧化铅(Pb O)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]: s ol2gel、热压法、超细粉体制备及添加助熔剂法。
J I N等[15]将L i2O掺杂在0.2[Pb(Mg1/3Nb2/3)]20.8[PbTi O32 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L i2O质量分数为0.1%时,d33、k33、kp、tanδ最佳值分别为565pC/N、77.92%、63.7%、0.022。
以x Pb(Mg1/3Nb2/3)O32y Pb(N i1/3Nb2/3)O32z Pb(Zr,Ti)O3为基体并适量掺杂Zn O、L i2CO3、CdO等,所制备出的P MN-P NN-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2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。
CHU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)O320.75Pb(Zr0:52Ti0:48)O3中加入B iFe O3和Ba(Cu0:5W0:5)O3在850℃和950℃合成了P NN2PZT2A基陶瓷。
与传统压电陶瓷相比,P NN2PZT2A基陶瓷的烧结温度降低了300～350℃,且具有良好的介电性(εr=4091)。
低温烧结对于多层片式压电陶瓷也起了至关重要的作用。
多层片式压电陶瓷器件以其高效率、小型化备受市场青睐,如多层片式压电变压器(MPT)和多层片式压电驱动器(MP A)的开发与研究。
