下载文档原格式
压电陶瓷晶粒取向生长技术的研究进展材料科学0901班指导老师：张强摘要压电陶瓷晶粒取向生长技术是一种结构改性，它是利用压电材料性能各向异性的特点，将无规则取向的陶瓷晶粒定向排列。
由于其能够在不改变材料居里温度的前提下大幅度提高陶瓷的压电性能，故压电陶瓷的晶粒取向生长技术已成为研究的热点，受到了高度重视及广泛研究。
本文分别从定向凝固技术、多层晶粒生长技术、模板晶粒生长技术和反应模板晶粒生长技术等四个方面，归纳并分析了近年来压电陶瓷晶粒取向生长技术的研究进展和研究趋势，并对压电陶瓷晶粒取向生长技术今后的研究和发展提出一些建议。
关键词：压电陶瓷，取向生长，取向度，织构陶瓷AbstractThe grain orientation techniques of piezoelectric ceramics is a kind of structure modification which were used by properties anisotropy of piezoelectric material.Randomly orientated ceramics grains were aligned along a certain direction and piezoelectric properties can be greatly enhanced without changing the Curie temperature after grain orientation. It have attracted considerable attention because the grain oriented piezoelectric ceramics possess higher piezoelectric properties than polycrystalline ceramics and have the same Curie temperature as polycrystalline ceramics．In this paper，the research progress and trend of grain orientation techniques of piezoelectric ceramics are summarized with emphases on directional solidification technology,multilayer grain growth technique，templated grain growth and reactive—templated grain growth technique．The future for the developments of grain orientation techniques of piezoelectric ceramics are also proposed．Key words：piezoelectric ceramics；oriented growth；degree of orientation；texured ceramics1引言压电陶瓷，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，是一种具有压电效应的材料。
功能陶瓷材料的制备与研究进展摘要：该文重点介绍了三种功能陶瓷的发展和制备情况，并针对我国功能陶瓷的研究存在的问题提出应对方法，以期为我国未来功能陶瓷的研究提供参考。
关键词：功能陶瓷制备研究功能陶瓷自20世纪30年代发展以来，经历了电介质陶瓷到高温超导陶瓷的发展历程，目前功能陶瓷在计算机技术、微电子技术、光电子技术等领域应用广泛，成为推动我国科技发展的重要功能性材料。
1 功能陶瓷情况介绍1.1 微波介质陶瓷微波介质陶瓷主要应用于现代通讯设备中，尤其在介质天线、滤波器、谐振器等设备中发挥着至关重要的作用。
在现代通讯技术影响下，我国十分重视微波介质陶瓷的研究和发展。
微波介质陶瓷研究对其基本要求如下。
为了实现微波元器件小型化发展要求，在使用的微波波段中微波介质陶瓷介电常数ε应尽可能的大；为了保证较好的通讯质量和良好的滤波性质，微波介质陶瓷的品质因数Q应尽可能的小；应保证谐振频率的温度系数可调节或者最大限度的小。
除此之外，还应充分分析微波介质陶瓷的绝缘电阻、传热系数等参数。
目前对微波介质陶瓷的研究、开发主要集中在以下方面。
首先，高品质因数和低介电常数的微波介质陶瓷，这类材料主要以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-ZnO-Ta2O5、BaO-MgO-Ta2O5或者它们之间的复合材料为代表。
当满足f≥10?GHz，Q=(1-3)×104，ε=25-30，谐振温度系数几乎为零时，可广泛应用于毫米、厘米波段的卫星直播通信系统中。
其次，中等的Q和ε微波介质陶瓷，其组成材料主要有Ba2TiO20、(Zr，Sn)TiO4以及BaTi4O9等。
当满足f≤3-4?GHz，Q=(6-9)×104，ε≈40，谐振温度系数小于等于5×10-6/℃，可作为微波军用雷达通信系统的重要器件。
最后，低Q和高ε微波介质陶瓷，以BaO、TiO2、Ln2O3为主要组成材料，该类陶瓷在目前微波介质陶瓷研究中受到人们的广泛关注。
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]。
第1篇一、实验目的1. 了解压电厚膜的结构、特性及工作原理。
2. 掌握压电厚膜的制作方法及其在传感器中的应用。
3. 通过实验验证压电厚膜的性能，为后续研究提供数据支持。
二、实验原理压电厚膜是一种利用压电材料制成的传感器或驱动器，其厚度介于薄膜和块材之间。
压电厚膜具有灵敏度高、驱动能力强、可加工性强等优势，广泛应用于医学成像、海洋监测、工业控制等领域。
压电厚膜的制作过程主要包括以下步骤：1. 选择合适的压电材料，如PZT（钛酸锆）等。
2. 将压电材料制备成薄膜，通过物理或化学方法在基底上形成压电层。
3. 通过光刻、刻蚀等工艺在压电层上形成所需的电极图案。
4. 将压电层与电极图案连接，形成完整的压电厚膜。
压电厚膜的工作原理基于压电效应，即当压电材料受到机械应力时，其内部会产生电荷，从而实现机械能和电能的相互转换。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：半导体光刻机、刻蚀机、镀膜机、探针台、数字多用表、示波器等。
2. 实验材料：PZT压电材料、基底材料（如Si、SiO2等）、光刻胶、腐蚀液等。
四、实验步骤1. 准备压电材料：将PZT压电材料制备成薄膜，厚度约为10μm。
2. 光刻工艺：在基底上涂覆光刻胶，干燥后进行光刻，形成所需的电极图案。
3. 刻蚀工艺：将光刻胶及未暴露的压电层刻蚀掉，形成完整的压电层。
4. 电极制备：在压电层上制备电极，可采用溅射、蒸发等方法。
5. 压电厚膜测试：将制备好的压电厚膜固定在探针台上，通过数字多用表测量其电容、电阻等参数，并通过示波器观察其输出波形。
6. 传感器性能测试：将压电厚膜应用于振动传感器，测试其在不同频率、振幅下的灵敏度。
五、实验结果与分析1. 压电厚膜电容测试结果：电容随频率变化呈线性关系，频率越高，电容越小。
2. 压电厚膜电阻测试结果：电阻随频率变化呈非线性关系，频率越高，电阻越小。
3. 压电厚膜输出波形：输出波形随输入信号频率和振幅的变化而变化，验证了压电厚膜的工作原理。
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）。
第29卷 第1期 无 机 材 料 学 报Vol. 29No. 12014年1月Journal of Inorganic Materials Jan., 2014收稿日期: 2013-10-22; 收到修改稿日期: 2013-10-30基金项目: 国家自然科学基金青年及重点项目(51332002, 51302144); 江西省教育厅科技落地计划(KJLD13076)National Natural Science Foundation of China (51332002, 51302144); Ground Plan of Science and Technolagy in Ji-angxi Province department of Education (KJLD13076)文章编号: 1000-324X(2014)01-0013-10 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2014.10002铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的现状、机遇与挑战王 轲1, 沈宗洋1,2, 张波萍3, 李敬锋1(1. 清华大学 材料学院, 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京100084; 2. 景德镇陶瓷学院 材料科学与工程学院, 江西省先进陶瓷材料重点实验室, 景德镇333403; 3. 北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京100083) 摘 要: 近十年来, 铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷一直是国内外的研究热点。
基于笔者的研究工作, 本文从晶体结构、性能优化、制备工艺三个方面总结了KNN 陶瓷的发展现状, 并进而尝试分析了该体系在未来发展中面临的机遇与挑战。
关 键 词: 无铅压电陶瓷; 铌酸钾钠; 钙钛矿; 铁电体 中图分类号: TQ174 文献标识码: A(K, Na)NbO 3-based Lead-free Piezoceramics: Status, Prospects and ChallengesWANG Ke 1, SHEN Zong-Yang 1,2, ZHANG Bo-Ping 3, LI Jing-Feng 1(1. State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua Uni-versity, Beijing 100084, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jiangxi Key Laboratory of Advanced Ceramic Materials, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Univer-sity of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: The past decade has witnessed the rapid development of (K, Na)NbO 3 (KNN)-based lead-free piezoceram-ics. The present article reviews the current status of this system, with special emphasis on crystalline structure, piezo-electric performance and processing technologies based on the authors’ research work. In addition, the prospects and challenges are also analyzed according to the authors’ knowledge.Key words: lead-free piezoceramics; (K, Na)NbO 3; perovskite; ferroelectrics压电材料是实现机械能与电能相互转换的一类重要功能材料, 在传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、滤波器、蜂鸣器和电子点火器等各种电子元器件方面有着广泛的应用[1]。
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)。
压电材料的研究新进展温建强;章力旺【摘要】压电材料作为机电转换的功能材料,在高新技术领域扮演着重要的角色.锆钛酸铅压电陶瓷凭借其优良的性能,自投入使用以来成为最广泛使用的压电材料.近年来,探索和发展潜在的替代新型材料备受重视.本文就近些年来国内外压电材料技术研究进展中呈现的无铅化、高性能化、薄膜化的新趋势进行了综述,并对今后的研究提出一些发展性的建议.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2013(032)005【总页数】6页(P413-418)【关键词】压电材料;压电性能;无铅压电材料;压电薄膜【作者】温建强;章力旺【作者单位】中国科学院声学研究所北京100190;中国科学院声学研究所北京100190【正文语种】中文【中图分类】TM2821 引言1880年P.Curie和J.Curie首次发现石英晶体有压电效应，1954年美国 B.Jaffe 发现了锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷，此后逐渐发展为国内外主流的压电材料，在功能材料领域占有重要的地位[1]。
压电材料发展的类型主要有单晶、多晶、微晶玻璃、有机高分子、复合材料等。
20世纪80年代以来，随着压电陶瓷材料从二元系向三元、多元系的开发研究高潮的结束，压电材料的研究一度进展缓慢。
随着科学技术快速发展，应用需求牵引下的开发探索给予了压电材料研究的新动力，加上科技工作者在基础性研究和生产工艺改进上的不懈努力，近十几年来，新型的压电材料不断涌现出，并呈现出无铅化、高性能化、薄膜化的态势，使得压电材料研究的面貌焕然一新，带动相应的应用器件研究也日趋活跃。
本文就近些年来国内外压电材料技术研究中所呈现出的新趋势和最新进展进行介绍，并对今后研究的努力发展方向进行展望，并提出一些建议。
2 压电材料研究的新趋势2.1 无铅化随着环境保护和社会可持续发展的要求，发展环境协调性材料及技术已是公认的大势所趋。
为了防止环境污染，国内外科研人员对无铅压电材料开展了大量的研究工作并取得了令人鼓舞的进展[2]。
第 4 期第 43-53 页材料工程Vol.52Apr. 2024Journal of Materials EngineeringNo.4pp.43-53第 52 卷2024 年 4 月Gd 3+掺杂调控BiFeO 3-BaTiO 3高温无铅压电陶瓷的结构与性能Structures and properties of Gd 3+ doped modified BiFeO 3-BaTiO 3 high -temperature lead -free piezoelectric ceramics唐蓝馨1，王芳1，周治1，李双池1，左鑫1，李凌峰1，杨柳1，谭启2，陈渝1*（1 成都大学 机械工程学院，成都 610106；2 广东以色列理工学院材料科学与工程系，广东 汕头 515063）TANG Lanxin 1，WANG Fang 1，ZHOU Zhi 1，LI Shuangchi 1，ZUO Xin 1，LI Lingfeng 1，YANG Liu 1，TAN Daniel Q 2，CHEN Yu 1*（1 School of Mechanical Engineering ，Chengdu University ，Chengdu 610106，China ；2 Department of Materials Science and Engineering ，Guangdong Technion -Israel Institute of Technology ，Shantou 515063，Guangdong ，China ）摘要：用于监测航空发动机、重型燃气轮机等重大技术装备高温部件振动状态的压电加速度传感器，需要一种高居里温度压电陶瓷作为敏感元件，而电子元器件的无铅化是环境保护的迫切要求。
采用传统的固相反应法制备一种Gd/Mn 共掺杂的BF -BT （（0.67BiFeO 3-0.33Ba 1-x Gd x TiO 3）+0.5%（质量分数）MnO 2，x =0~0.02）高温无铅压电陶瓷，并研究Gd 3+掺杂浓度（x ）对BF -BT 陶瓷的相组成、微观结构、压电性能、介电弛豫行为及交流阻抗特征的影响。
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。
无铅压电陶瓷材料的研究现状作者：吴思华王平付鹏来源：《佛山陶瓷》2008年第02期摘要本文综述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料方面的研究进展，重点介绍了钛酸钡基、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现状，并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。
关键词无铅压电陶瓷，铋层状结构，钛酸铋钠基，钨青铜结构1引言随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，无铅压电陶瓷材料的研究和应用更日益引起人们的关注。
压电陶瓷被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域，是最重要的电子材料之一，然而，目前使用的压电陶瓷材料仍是含铅的，其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%，由于氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产过程中，氧化铅粉尘以及高温合成或烧结过程中挥发出来的氧化铅极易造成环境污染，在使用和废弃后的处理过程中也会给人类及生态环境造成严重危害。
于是近年来，为了保护人类及生态环境，许多国家都在酝酿立法禁止使用含铅的压电陶瓷材料，因此，开发无铅基的环境协调性（绿色）压电陶瓷材料是一项紧迫而具有重要科学意义的课题。
近年来，国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要有：钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系及钨青铜结构无铅压电陶瓷。
2钛酸钡基无铅压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是最早发现的典型无铅压电材料，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。
目前，BaTiO3基无铅压电陶瓷体系主要有：（1）（1-x）BaTiO3-xABO3(A=Ba、Ca等；B=Zr、Sn、Hf、Ce等)；（2） (1-x）BaTiO3-xA′B′O3（A′=K、Na等；B′=Nb、Ta等）；（3） (1-x）BaTiO3-xA0.5〞NbO3(A〞= Ba、Ca、Sr等)。
研究结果表明，在上述三个体系中，都存在顺电立方-铁电四方相变，此相变具有弛豫铁电性的特征，而某些组分不再出现宏观上的铁电四方到铁电正交的相变，因而有利于室温下使用。
锆钛酸铅( PZT )在压电陶瓷驱动器中的应用1 前言智能材料包括感知材料和驱动材料。
感知材料是一类对外界或内部的应力、应变、热、光、电、磁、辐射能和化学量等参量具有感知功能的材料,用它们可以制成各种传感器件; 驱动材料则是能对环境条件或内部状态变化作出响应并执行动作的材料, 用它们可以制成各种驱动器件。
智能器件是由智能材料所制成的、具备传感驱动功能的执行器。
智能结构则是由材料和器件所构成的, 集传感、信号处理、控制和驱动于一体的材料系统或结构体系, 它能感知环境或内部参量, 进行信息处理, 发出指令, 执行并完成动作, 从而实现自诊断、自修复和自适应等多种功能。
智能材料系统和结构的应用十分广泛, 不仅在国防尖端武器如飞机、军舰等, 而且在国民经济各个领域, 特别是高技术领域具有重大战略意义。
当前完成智能材料系统和结构的主要材料有形状记忆材料、压电材料( 含压电陶瓷、压电聚合物) 、电致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。
利用这些机敏材料的功能, 加上巧妙精细的复合设计和制作便得到驱动、传感和控制于一体的材料系统和结构。
压电材料是智能材料系统和结构中的一类主要材料。
具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷, 若将这类电介质晶体置于电场中, 电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致形变。
由于压电材料具有上述特性, 故可实现传感元件与动作元件的统一。
压电材料可广泛地应用于智能材料与结构中, 特别是可以有效地用于材料损伤自诊断、自适应、减振与噪声控制等方面。
压电材料发展的类型主要有单晶、多晶、微晶玻璃、有机高分子、复合材料等。
20世纪80年代以来，随着压电陶瓷材料从二元系向三元、多元系的开发研究高潮的结束，压电材料的研究一度进展缓慢。
随着科学技术快速发展，应用需求牵引下的开发探索给予了压电材料研究的新动力，加上科技工作者在基础性研究和生产工艺改进上的不懈努力，近十几年来，新型的压电材料不断涌现出，使得压电材料研究的面貌焕然一新。
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：AAbstract: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; thickfilm1.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容[8]。
因此,压电厚膜材料被广泛应用于微型驱动器、压电微马达、微流体泵、喷墨打印头、超声换能器、助听器、声纳水听器及微电子机械系统中[7]。
随着铁电存储技术、微光学电子机械系统和铁电集成电子学的发展, 铁电厚膜的制备和应用也成为研究热点。
2.无铅压电陶瓷概况目前无铅压电陶瓷按晶体类型可以分为三大系列：钙钛矿结构，钨青铜结构和铋层状结构等[9]，压电性能随着材料结构和成分的不同而有所差异，根据应用器件的参数要。
求，在实际应用中也各有侧重。
钙钛矿结构化学通式为ABO 3，理想的钙钛矿结构可以发生一系列的畸变而产生晶体结构的相变，从而使晶体结构对称性降低[10]，产生压电效应。
图1为理想钙钛矿结构（Pm3m ）畸变产生的四方（I4/mcm ）和斜方（Pbnm ）结构晶系变体。
钨青铜结构其特征是存在[BO 6] 式氧八面体(B 为Nb 5 + , Ta 5 +或W 6 +等离子)，图2为钨青铜结构在（001）面上的投影[11]。
钨青铜结构化合物具有自发极化较大、居里温度较高、介电常数较低等特点, 同时具有优良的电光性能和热释电性，被广泛应用在声表面波中的滤波器和谐振器、光波导、光调制器、红外探测器等。
杨祖培[12]等对Sr x Ba 1–x Nb 2O 6系钨青铜结构陶瓷的研究发现，当x >0.51时，XRD 谱中出现了SrNb 2O 6峰；而当x<0.51，就可得到四方钨青铜结构单相，陶瓷样品的介电性能随x 值的增大而增大，且居里温度随x 值的增加而向低温移动，且所有陶瓷样品均为典型的弛豫铁电体。
铋层状结构化合物首先由Aurivllius [13]于1949年发现。
铋层状结构是由二维的钙钛矿和(Bi 2O 2)2 +层有规则地相互交替排列而成。
它们的组成为(Bi 2O 2)2 + ·(A x –1B x O 3x + 1)2-。
铋层状结构压电陶瓷的各向异性明显，具有高绝缘强度、电阻率和居里温度，而且介电常数和老化率低，因此适合高温高频场合使用。
目前对铋层状陶瓷的研究主要集中在A 位和B 位的掺杂改性，从而使陶瓷的各方面性能更适合在高温高频场中适用。
图1 不同钙钛矿型结构垂直Z 轴的投影(圆球为A 原子, 多面体为BX6八面体)[12]Fig. 1The project ions of perovskite Pm 3m ,I 4/mcm and Pbnm structures along Z direct ion( the Aatoms and BX 6 octahedra are rep resented as balls and polyhedra)[12]3.无铅压电厚膜的制备方法厚膜的制备技术也有四十多年的发展历史，其中以丝网印涮法[14-15]最为成熟。
近年来厚膜制备技术有了很大的发展，如复合溶胶-凝胶法[16]、流延法[17]、水热法[18]等。
电泳沉积法作为一种含铅厚膜的一种制备方法之一，在无铅厚膜制备中也有一定的应用。
3.1丝网印刷法（Screenprinting ）丝网印刷法是将预烧好的铁电粉体与有机载体混合制备成均匀的厚膜浆料，图3为张[20]用丝网印刷法制备NBKT 厚膜的流程图。
有机载体通常加入一定量的粘结剂、分散剂、增塑剂等将浆料通过网孔转移沉淀到基片上，形成湿膜，经过干燥烧结形成厚膜，可以根据自己所需厚度决定印刷次数[19]。
该方法工艺简单，能够与微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems, 简称 MEMS)技术兼容，适于批量生产。
Zhang 等[20]用丝网印刷法获得的Bi 0.5(Na 0.82K 0.18)0.5TiO 3陶瓷厚膜厚度约为40μm ，该厚膜介电常数可达100–110pm/V ，纵向压电系数d 33 = 109pm/V 。
但是这种方法难以使浆料混合均匀，产生其他相成分（如玻璃相），影响材料的性能，而且这种方法的烧结温度较高，容易使易挥发的原料挥发，偏离原始计算比，对材料的性能造成较大的影响。
图2钨青铜结构在〔001〕面上的投影图Fig2The projection photograph of tetragonal tung-sten structure on crystal plane(001)3.2复合溶胶-凝胶法（Sol-gel ）溶胶-凝胶法是制备超细粉体的一种方法，它的优点是浆料可以均匀混合，粉体纯度高，颗粒尺寸小，力度分散窄[21]。
复合溶胶–凝胶法可以制备从纳米级薄膜到几十微米厚膜, 其保持了普通溶胶-凝胶（Sol-Gel ）法的基本特点, 同时又解决了普通的 Sol-Gel 法难以制备出厚度大于 1μm 的膜材料[22]。
AmanUllah 等[23]用溶胶-凝胶法制备Bi 0.5(Na 0.78K 0.22)0.5TiO 3无铅压电陶瓷在1150ºC 的烧结温度下相对密度最高值达到96%（5.55g/cm 3），压电系数d 33=247pm/V)，剩余极化强度Pr =18.5mC/cm 2)。
复合溶胶-凝胶制膜技术已成为制作铁电厚膜材料较理想的方法之一。
3.3流延成型法 （Tape-casting ）流延成型法就是将粉碎好的陶瓷粉体与由溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂所组成的溶液按适当配比混合制成具有一定粘度的料浆, 料浆从容器中流下, 用刮刀以一定厚度刮压涂敷在专用基带上,经干燥、固化后从基带上剥下成为生坯带的厚膜[24]。
Fu 等[25]用流延法制备的Li 掺杂KNN 无铅压电陶瓷厚膜厚度为20μm ，在KNN-xLi 体系中，当x=0.08时，矫顽场达到最低（Ec =7.92kV/cm ），当x=0.06时，材料出现准同型相界（MPB ）并得到最大压电常数d 33=91.6pm/V 。
3.4气溶胶沉淀法（Aerosol-deposited ）气溶胶沉淀法制备无铅压电陶瓷厚膜是近几年新兴的一种制备方法，其具有制作时间短，烧结温度低的优点。
ue 等[26]用气溶胶沉淀法制备的Repeated0.948(K 0.5Na 0.5)NbO 3–0.052LiSbO 3无铅压电陶瓷厚膜，其厚度约为6μm ，ue 等将制备的厚膜用在高频的变频设备中，结果表明压电厚膜在高频变频设备有很好的潜在应用价值，也分析了气溶胶沉淀法制备无铅压电厚膜的独特优势。
3.5模板晶粒生长法（Templategraingrowthmethod ）模板晶粒生长技术是通过添加模板晶粒,在烧结时引导晶粒定向生长的一种方法。
其主要包括制备各向异性模板晶粒和引导晶粒定向生长两个步骤，根据模板晶粒是否参与反应可以分为反应模板晶粒生长技术和模板晶粒生长技术。
Fu [27]等用模板晶粒生长法制备出5-10μm 的BT 基无铅压电厚膜，其压电常数d 33达到157pm/V ，结果表明模板晶粒生长技术是制备无铅压电厚膜的一种有效方法。
