高温压电陶瓷材料研究进展

新型压电陶瓷的研制引言压电陶瓷是一种能够产生电荷的陶瓷材料，当受到物理变形时可以产生电场，反之亦然。

它具有压电效应和应变耦合效应，被广泛应用于超声传感器、换能器、压力传感器等领域。

传统的压电陶瓷材料存在着性能上的瓶颈，如压电系数低、柔性差、易破碎等问题，严重影响了其应用范围。

研制新型压电陶瓷材料成为了当前材料科学领域的一项重要研究课题。

本文将从压电陶瓷的研究背景、现状及其存在的问题出发，介绍新型压电陶瓷的研制过程以及未来应用前景，旨在为读者提供一份全面的新型压电陶瓷材料研究综述。

传统的压电陶瓷材料存在一些问题，例如：压电系数较低、温度稳定性差、易破碎等。

这些问题限制了压电陶瓷材料在一些特殊环境下的应用，研制新型的压电陶瓷材料成为了当前的一项重要课题。

二、压电陶瓷的现状及存在的问题目前，市面上流行的压电陶瓷材料主要是氧化铅类和钛酸钡类陶瓷。

虽然它们在生产工艺和成本上有一定的优势，但仍然存在着一些固有的问题。

一是其压电系数较低。

传统的压电陶瓷材料的压电系数往往在100-200pC/N之间，无法满足一些高性能要求的应用需求。

二是温度稳定性差。

现有的压电陶瓷材料在高温环境下会出现晶粒长大、极化退化等问题，导致其压电性能下降，影响了其在高温环境下的应用。

三是易破碎。

传统的压电陶瓷材料脆性较大，不具备柔性，容易在外力作用下产生破裂，限制了其在柔性电子等领域的应用。

由于这些问题的存在，传统的压电陶瓷材料在一些领域的应用受到了限制，急需研制新型的高性能压电陶瓷材料来满足不同领域的需求。

三、新型压电陶瓷的研制过程1.材料设计新型压电陶瓷材料的研制首先需要从材料设计入手，通过调控材料的组成和结构来实现所需的性能。

研究人员可以通过计算机模拟、DFT理论计算等方法，预测和设计出具有高压电性能的新型化合物。

通过合理设计原子结构和晶体结构，优化晶体畸变等方式来提高压电系数和温度稳定性。

2.材料制备材料制备是研制新型压电陶瓷材料的关键环节。

新型压电陶瓷的研制目前市场上主要存在的压电陶瓷是钛酸铅压电陶瓷。

该材料具有较高的压电系数和介电常数，因此在实际中得到了广泛的应用。

但是，钛酸铅压电陶瓷也存在一些缺点，如制备成本较高、质量不稳定、易受湿度和温度变化等因素的影响等。

因此，研究开发性能更为优越的新型压电陶瓷材料，不仅可以拓宽压电陶瓷的应用领域，还可以降低成本，提高产业竞争力。

当前，钛酸钡压电陶瓷已经成为一种备受关注的新型材料。

相较于钛酸铅压电陶瓷，钛酸钡压电陶瓷的制备成本更低、性能更加稳定，且其在高温环境下的性能更优秀。

因此，研究钛酸钡压电陶瓷的制备工艺和性能，对于推进压电陶瓷的应用具有十分重要的意义。

目前，关于钛酸钡压电陶瓷的研究主要集中在以下方面：一、制备工艺探究钛酸钡压电陶瓷的制备工艺是研究的关键。

目前，常用的制备方法有热压法、水热法、溶胶–凝胶法等。

热压法是一种常用的钛酸钡压电陶瓷制备方法，具有制备成本低、制备效率高、易于掌握等优点。

水热法通常用于制备纳米级的钛酸钡压电陶瓷粉体，该方法具有反应速度快、温度控制精密等优点。

溶胶–凝胶法则是利用液相反应、凝胶和焙烧等多个阶段进行制备，因此其具有可控性好、制备精度高等优点。

二、性能研究及应用钛酸钡压电陶瓷的性能研究主要包括压电性能、介电性能、热稳定性等指标。

目前的研究表明，钛酸钡压电陶瓷的压电系数约为钛酸铅压电陶瓷的1/3，介电常数、损耗角正切等指标也具有优秀的性能。

此外，钛酸钡压电陶瓷的应用在不断扩展，如用于声学传感器、燃气传感器、飞机结构震动控制等领域，都有很好的应用前景。

总之，钛酸钡压电陶瓷的研究对于提升压电陶瓷的应用效果具有非常重要的意义。

在今后的研究中，我们需要不断探索新的制备方法，同时加强对其性能与应用的研究，以促进压电陶瓷技术的发展与应用。

功能陶瓷材料研究进展概述功能陶瓷材料指的是具有特殊功能的陶瓷材料，比如高温耐磨陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、热敏陶瓷等。

这些功能陶瓷材料广泛应用于电子、信息、通信、环保、医疗、军工等领域，其研究与应用已经成为一个重要的研究领域。

本文将从四个方面对功能陶瓷材料的研究进展进行概述。

一、高温耐磨陶瓷的研究进展高温耐磨陶瓷主要应用于高温、高压、高速等极端环境下的工作条件。

近年来，高温耐磨陶瓷的研究进展主要体现在以下三个方面：1、高温耐磨陶瓷的材料研究：传统的高温耐磨陶瓷材料一般为氧化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆等。

目前，研究人员在这些材料的制备、结构设计、织构控制等方面进行了深入研究，并开发出了一系列的新型高温耐磨陶瓷材料，比如碳化硼、碳化钨、氧化铈等，这些材料具有更好的高温、高热、高压性能。

2、高温耐磨陶瓷组件的设计与制备：高温耐磨陶瓷常用于制备涡轮叶片、燃烧室衬板、轴承等零部件。

对于这些零部件，研究人员需要进行适应性设计，以对抗不同的极端环境。

同时，在制备过程中，要求材料的制备工艺、成型方式、加工工艺等都达到高度精密化。

3、高温耐磨陶瓷的表面处理：高温耐磨陶瓷的表面处理一般包括化学处理、物理处理和机械处理。

通过这些表面处理手段，可以提高高温耐磨陶瓷的力学性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能和防摩擦性能。

压电陶瓷是一种能将机械能转化为电能或电能转化为机械能的材料。

近年来，压电陶瓷的研究进展主要体现在以下两个方面：1、压电陶瓷材料的研究：常见的压电陶瓷材料有PZT陶瓷、BT陶瓷、PMN-PT陶瓷等。

经过不断研究，研究人员已经获得了一系列新型压电陶瓷材料，比如高温压电陶瓷、柔性陶瓷、波导陶瓷等。

这些材料具有更好的压电性能、机械性能以及抗疲劳性能。

2、压电陶瓷器件的研究：压电陶瓷器件一般包括声波器件、电场滤波器、电压传感器等。

针对不同的应用场景，研究人员需要对器件进行不同的设计，同时进行制备和测试。

磁性陶瓷是一类具有磁性的陶瓷材料，其广泛应用于电子、信息、通信、医疗等领域。

BiScO3-PbTiO3基高温压电陶瓷研究进展金善龙;范桂芬;吕文中;王凯;徐星【摘要】兼具优异压电性能和高居里温度（tC）的压电陶瓷在高温极端环境条件下具有非常重要的用途，是当今压电铁电材料研究热点之一。

简要总结了压电陶瓷的居里温度、压电介电性能等的影响因素，重点介绍钙钛矿结构BiScO3-PbTiO3（BSPT）二元体系，从离子取代、化合物复合、氧化物掺杂等方面归纳总结该体系的改性研究进展。

%The piezoelectric ceramics with outstandingpiezoelectricproperties and high Curie temperature are significantlyapplied to the severe condition of high temperature,and itis one of the mostly researched piezoelectric and ferroelectric ceramics nowadays.It is briefly summarized that the factors influence the curie temperature and piezoelectric, dielectric properties of piezoelectric ceramics, focused on binary system of BiScO3-PbTiO3(BSPT) with perovskite structure, where theresearchingprogress of the modificationis summarized from the aspects of ionic substitution, compound composite, oxide doping.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)001【总页数】6页(P8-13)【关键词】钙钛矿结构;压电陶瓷;综述;居里温度;BSPT;压电介电性能【作者】金善龙;范桂芬;吕文中;王凯;徐星【作者单位】华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074;华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074;华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074;华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074;华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TM28压电材料是利用正、逆压电效应，将机械能与电能进行相互转换的换能材料，被广泛应用到航空航天、雷达通信、医疗、家电、深井勘探等生活、工作各领域。

超高温陶瓷复合材料的研究进展（共五则）第一篇：超高温陶瓷复合材料的研究进展超高温导热陶瓷复合型材料的研究进展超高温导热陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮化物，它们的熔点均在3000℃以上。

在这些超高温导热陶瓷中，ZrB2和HfB2基超高温导热陶瓷复合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀性能，可以在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀，是一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。

★超高温导热陶瓷复合材料的制备超高温导热陶瓷复合材料的致密化主要有热压烧结（HP）、放电等离子烧结（SPS）、反应热压烧结((RHP)和无压烧结（PS)。

在这些制备方法中，热压烧结是目前超高温导热陶瓷复合材料最主要的烧结方法。

热压烧结ZrB2和HfB2都是ALB2型的六方晶系结构，其强共价键、低晶界及体扩散速率的特征，导致该类材料需要在非常高的温度下才能致密化，一般需要2100℃或更高的温度和适中的压力(20-30 MPa)或较低温度（~1800℃)及极高压力(> 800 MPa)。

ZrB2和HfB2结构和性能相近，后者的熔点比前者高，需要更高的致密化温度，同时具有更优异的高温性能，而前者的密度和成本都比后者低，也是业内关注最多的。

放电等离子烧结放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通人脉冲电流进行加热烧结，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控等优点，该方法近年来用于超高温导热陶瓷复合材料的制备。

产生的脉冲电流在粉体颗粒之间会发生放电，使其颗粒接触部位温度非常高，在烧结初期可以净化颗粒的表面，同时产生各种颗粒表面缺陷，改善晶界的扩散和材料的传质，从而促进致密化，相对于热压烧结超高温导热陶瓷复合材料而言，放电等离子烧结的温度更低、获得的晶粒尺寸更细小。

反应热压烧结超高温导热陶瓷复合材料的合成及致密化可以通过原位反应在施加压力或无压的情况下一步合成，目前通常采用Zr, B4C和Si原位反应制备超高温导热陶瓷复合材料，通过原始材料比例的设计可以实现对合成材料组分及含量的调控。

超高居里温度钙钛矿层状结构压电陶瓷研究进展周志勇;陈涛;董显林【摘要】Perovskite-layer structured (PLS) piezoelectric ceramics have the characteristics of ultra high Curie temperature and good thermal stability, thus PLS ceramics have become one of the hot topics in the field of high temperature piezoelectric ceramics. The present article reviews the research progress on PLS piezoelectric ceramics from the aspects of crystal structure, processing technologies, doping modifications, and forming solid solutions in order to overcome their disadvantages of poor sinterability and low piezoelectricity. Meanwhile, this review sum-marizes and compares the effects of processing technologies and doping modifications on the sinterability and pie-zoelectricity of PLS ceramics. Furthermore, the origin of the spontaneous polarization of PLS ferroelectircs is briefly described. The mechanism of ferroelectric phase transition and the approaches to improvement of piezoelec-tric properties for PLS piezoelectric ceramics are proposed for research work in the near future.%钙钛矿层状压电陶瓷具有超高居里温度和高温度稳定性, 已成为目前高温压电陶瓷的研究热点.本文针对钙钛矿层状压电陶瓷致密化烧结难以及压电性能低的难题, 主要从晶体结构、制备工艺、掺杂改性和复合固溶体等方面总结了钙钛矿层状高温压电陶瓷的研究进展, 同时归纳和比较了不同制备工艺和掺杂改性的钙钛矿层状高温压电陶瓷的烧结性和压电性能.简要分析了钙钛矿层状结构自发极化的来源, 并对未来研究这类材料的铁电相变机理和提高压电性能作了展望.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2018(033)003【总页数】8页(P251-258)【关键词】超高温压电陶瓷;钙钛矿层状结构;铁电体;综述【作者】周志勇;陈涛;董显林【作者单位】中国科学院上海硅酸盐研究所,中国科学院无机功能材料与器件重点实验室,上海 200050;中国科学院上海硅酸盐研究所,中国科学院无机功能材料与器件重点实验室,上海 200050;中国科学院上海硅酸盐研究所,中国科学院无机功能材料与器件重点实验室,上海 200050【正文语种】中文【中图分类】TM282压电陶瓷是实现机械能与电能相互转换的一类重要的信息功能材料, 可以制成各种压电传感器、驱动器、换能器、谐振器和滤波器等电子元器件, 在信息通讯、航空航天、汽车电子、医疗设备、石油化工和军事等领域具有广泛的应用[1-4]。

BiAlO_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【摘要】铝酸铋(BiAlO_3)是近年发现的一种新型钙钛矿结构无铅压电材料,在-133℃到550℃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BiAlO_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BiAlO_3无铅压电陶瓷今后的研究和发展提出一些建议.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2010(025)003【总页数】5页(P225-229)【关键词】高温压电陶瓷;铝酸铋;钙钛矿结构【作者】侯育冬;崔磊;王赛;王超;朱满康;严辉【作者单位】北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学,材料科学与工程学院,北京,100124【正文语种】中文【中图分类】TM282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300℃;油井下使用的声波测井换能器工作温度也达到 200～300℃.作为高温压电陶瓷材料,必须在较高温度下(>400℃)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,Ti)O3(缩写为 PZT)体系为主,这类材料的居里温度低于400℃(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,仅适于常规条件下使用[1].2001年,美国宾州州立大学的 Eitel等研究发现,PbTiO3-BiScO3体系存在准同型相界结构(MPB),具有高居里温度(Tc>450℃)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 PbTiO3-BiScO3体系的掺杂与复合改性开展了许多工作[3-4].尽管PbTiO3-BiScO3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 PZT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[5-6].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:钙钛矿结构、铋层状结构和钨青铜结构.从现有的研究情况来看,尽管铋层状结构和钨青铜结构相对于钙钛矿结构居里温度更高,但是这类材料各向异性强,自发极化转向受到一维和二维较大的限制,压电性能很低.钙钛矿结构体系是压电铁电陶瓷中最常见的,也是应用最为广泛的一类.具有钙钛矿结构的压电陶瓷其自发极化可以在空间三维方向内转向,压电活性高,有利于作为高温压电致动器、换能器和传感器等器件材料[7-8].因而,钙钛矿结构压电陶瓷是发展高温压电材料及器件的主要方向.目前广泛研究的钙钛矿结构无铅压电陶瓷主要集中于钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(缩写为BNT)和铌酸钾钠(K0.5Na0.5)NbO3(缩写为 K NN)基无铅压电陶瓷. BNT居里温度 Tc为320℃,室温下剩余极化 Pr为38μC/cm2,具有较强的铁电性.然而,BNT的矫顽场 Ec高达 73kV/cm,且在铁电相区电导率较高,难于极化.现有对该材料的研究主要集中于复合第二组元 (如 BaTiO3、SrTiO3、KNbO3、(Bi0.5K0.5)TiO3等)或掺杂改性降低体系电导率和矫顽场,提高压电活性[9].但是BNT材料在200℃附近存在一个从铁电相(FE)向反铁电相 (AFE)转变的本征结构相变,尽管通过改性能部分提升该相变温度 (目前BNT-(Bi0.5K0.5)TiO3-BaTiO3三元复合体系相变温度最高为250℃)[7-8],但却不能完全消除.高于铁电 -反铁电相转变温度,BNT基体系发生显著退极化,压电性能丧失,因而不能满足高温压电器件使用要求.KNN是另一类研究较多的无铅压电陶瓷,是由铁电体 KNbO3和反铁电体NaNbO3形成的固溶体系,具有与其组元 KNbO3相似的相变序列,居里温度为420℃[10].根据相图,KNN固相结构的稳定性低于1150℃,且在高温烧结下钾钠挥发严重,使得纯KNN陶瓷难以烧结致密化,限制了其应用[11].2004年,日本丰田研究中心的 Saito等和名古屋工业大学的 Guo等先后通过加入LiNbO3、LiTaO3、LiSbO3等第三组元改善 KNN体系的烧结特性,获得了接近 PZT的压电性能[12-13].之后,国内外学者围绕 KNN体系开展了大量的改性工作,进一步提升了该材料的压电性能.但需要注意的是 KNN体系改性的物理机制主要是通过其它组元的添加将200℃左右的正交 -四方铁电 -铁电相变点 (TO-T)降低到室温附近来提高极化效果[7],在提升常温压电性能的同时却显著降低了该类材料的高温特性,退极化温度甚至低于BNT改性体系.以上所述钙钛矿结构无铅压电陶瓷均不满足高温器件使用要求,因而开发在较高温度下(>400℃)不发生结构相变且具有优良压电性能的钙钛矿结构无铅压电陶瓷成为发展高温压电材料的技术难点.2 BiAlO3基无铅压电陶瓷BiA lO3是近年快速发展起来的一种新型高温钙钛矿结构无铅压电材料,其居里温度高于520℃,压电性能温度稳定性好,有望应用于高温压电器件领域.该材料最初由理论计算预测,后经实验证实,引起人们广泛关注,并开展了一系列工作.2.1 理论计算随着现代物理和计算技术的迅猛发展,可以利用第一性原理从分子与原子层面来计算材料的物理性能并进一步寻找新型高性能压铁电材料[14].经验规律认为,ABO3结构中,较大的A位与B位质量差有利于获得高压电活性的钙钛矿材料[15].根据这一规律,日本大阪府立大学 Okada等分析了 B iA lO3材料结构特性:计算表明BiAlO3的A位与B位质量差是 187.0,高于 PZT 132.7,应是一种具有优良压电性能的陶瓷材料[16].2005年,美国加利福尼亚大学的Baettig等进一步基于对 PZT 强铁电性起因的分析对比,应用密度泛函理论对铝酸铋 BiA lO3进行了计算.结果表明,BiAlO3是一种理想的高温无铅压电陶瓷材料.对于有较高价态A位Bi离子的B iA lO3钙钛矿相,氧八面体的三方倾斜将导致R3c结构出现,因为这样有利于优化与氧的库仑相互作用.B iA lO3钙钛矿结构中,其强铁电性起因于 A位的 Bi3+离子.这主要是由于在元素周期表中,Bi3+离子具有与Pb2+相同的 6S2孤电子对,该电子对有很强的立体化学活性,能够显著增强钙钛矿结构中的极化位移,从而提高 BiAlO3的铁电与压电性能[17].随后,国内中山大学的王彪课题组也对B iMO3(M=Al,Ga,In 和 Sc)系列化和物进行了第一性原理计算[18-20].研究发现,这类化合物的电学性能主要决定于键,同时也受键作用.软模的存在和 8个[111]方向最小值说明BiAlO3的相变属于位移型和有序 -无序型的混合态,是一种潜在应用价值的无铅压铁电材料. 以上研究从理论上证实BiAlO3钙钛矿相潜在压铁电活性,这些研究成果引起广泛关注,进一步通过实验能否合成BiAlO3成为论证该材料是否存在及获得应用的关键.2.2 高压合成前期人们对于 BiAlO3做了很多理论方面的研究,但是关于其实验制备却遇到很大困难.从热力学角度看,ABO3化合物要形成稳定的钙钛矿结构,需要有高的容差因子t和大的电负性差ΔX.计算表明, BiAlO3的 t值和ΔX值分别为 1.01和 1.80,高于与BiAlO3具有相似钙钛矿晶体结构的BiFeO3(t=0.86, ΔX=1.65),BiAlO3应是一种结构稳定、易于合成的钙钛矿化合物.然而,各国科研人员研究均发现,与易合成BiFeO3不同,采用常规陶瓷工艺无法合成钙钛矿相BiAlO3.2006年,印度尼赫鲁先进科学研究中心的Mangalam等试图采用常规固相法制备BiAlO3钙钛矿相,但是没有成功,仅得到一种富铋的Bi24Al2O39体心立方相[21].同样,日本大阪府立大学Okada等的研究结果也显示常规固相法无法合成BiAlO3:低温时合成产物以Bi24Al2O39相为主,而在高温1000℃时合成产物转变为 Bi2Al4O9相,整个合成过程中未出现BiAlO3钙钛矿相[16].2006年,日本国家材料科学研究所 (缩写为N IMS)的 Belik等报道采用极端高压方法(6GPa, 1000℃)成功合成 BiAlO3陶瓷,从而突破了 BiAlO3难以合成的技术瓶颈.该实验结果与前述 Baettig等理论计算的晶体结构符合很好,从而证实 B iA lO3可以人工合成且稳定存在[22].样品结构测试表明, BiAlO3具有非中心对称的三方钙钛矿结构 (空间群R3c,晶胞参数 a= 0.537546(5)nm,c= 1.33933(1)nm,其中:Bi 离子占据 12配位的 A位, Al离子占据 6配位的八面体中心 B位 (图 1).进一步,该研究组与加拿大西蒙弗雷泽大学的 Ye等合作,对BiAlO3陶瓷的压电性能和温度特性进行了深入研究[23].实验结果显示,B iA lO3的压电性能显著优于另一铋基钙钛矿材料BiFeO3.在225℃加 21kV/cm的高压电场极化后,室温测得 B iA lO3陶瓷d33=28pC/N.此外,B iA lO3室温剩余极化Pr=9.5μC/cm2,且随测试温度的升高,Pr值显著增大.测试温度为225℃时, Pr达到26.7μC/cm2.值得注意的是研究发现, BiAlO3的居里温度Tc>520℃,在 -133℃到550℃的温度范围内不存在结构相变.将经过极化的 BiAlO3陶瓷样品在520℃退火 15min,其压电性能仍能达到25 pC/N.图 2给出现有典型钙钛矿结构压电陶瓷的压电常数与居里温度关系图.可以看到,相对于其它钙钛矿体系,BiAlO3的压电性能和工作温度特性较优,适合作为高温压电材料使用[24].但是,进一步对BiAlO3材料的热分析研究发现,当温度高于550℃,BiA lO3在常压下发生相分解,转变成 Bi2Al4O9和 Bi25AlO39的混合物[25].这一发现说明了前期人们采用常规陶瓷工艺难以合成纯钙钛矿相BiAlO3的主要原因.常规陶瓷工艺中固相反应受扩散机制控制,通常需要高温煅烧达到反应平衡并生成物相.由于氧化铝的反应活性很低,在常压550℃以下难以达到 Al2O3-Bi2O3的反应平衡,因而主要产物是富铋的 Bi24Al2O39、Bi25A1O39和未反应的A12O3等;而高于550℃,由于超出了 BiAlO3的热分解温度,常压固相合成的产物主要以 Bi2Al4O9为主.相对于常规固相法,高压方法利用高压这一极端物理条件,有效地改变反应物质的原子间距和原子壳层状态,大大提高反应速率和产物的转化率,使采用常规陶瓷工艺难以合成的BiAlO3得以顺利制备.图 1 BiAlO3沿 c轴的结构投影图Fig.1 Schematic projection view of the structure ofBiAlO3along thecaxis图 2 钙钛矿结构陶瓷压电常数 d33与居里温度关系图[24]Fig.2 Relationship between piezoelectric coefficientd33and the Curie temperature for piezoelectric ceramics with perovskitestruc ture[24]BT∶BaTiO3;KN∶KNbO3;PN∶PbNb2O6;LF4∶(K0.44Na0.52Li0.04) (Nb0.86Ta0.10Sb0.04)3;PT∶PbTiO3;PZNT∶0.92Pb(Zn1/3Nd2/3)O3-0.08PbTiO3;PZT∶Pb(Zr0.52Ti0.48)O32.3 添加第二组元尽管利用高压合成工艺可以实现BiAlO3压电陶瓷的制备,但是极端高压合成装置设备昂贵且工艺复杂,不利于 BiAlO3材料的量产.此外,B iA lO3接近居里温度时发生相分解所引发的热稳定性问题,也给该材料的实用化带来温度限制因素.采用传统陶瓷工艺,通过添加第二组元形成多元固溶体系是一种常用的压电陶瓷改性方法.该方法中,第二组元一般选用较稳定的简单钙钛矿材料,其引进通常可以起到稳定剂的作用,如Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等难以合成的弛豫铁电体可通过引入一定量的 PbT iO3、BaTiO3等简单钙钛矿化合物加以稳定[26].此外,第二组元的引入还有利于调整体系对称性和显微结构,甚至获得相变激活能较低的准同型相界(MPB),大幅提升材料压电性能[9,27].基于上述,国内外学者相继利用复合第二组元的方法对BiAlO3材料进行改性,希望能够合成出具有稳定钙钛矿结构且电学性能优良的B iA lO3基多元系陶瓷.2006年,Ye等研究了(1-x)LaA lO3-xB iA lO3复合体系的微观结构和电学性能[28].研究表明,随 x值增大,晶格常数 a和三方夹角α逐渐增大,证明形成了固溶体系;x≤0.02,体系可以获得纯钙钛矿结构.此外,随 x值增大,介电性能显著增强:复合后陶瓷样品的频率色散度降低;测试频率 100 Hz,x=0.2的陶瓷样品介电常数相对于纯LaAlO3提高了约 10%,介电损耗更是降低了一个数量级,从 0.03下降到0.004,优良的介电性能有利于发展适用于微电子工业的高介薄膜材料.但是,该项研究却没有报道LaA lO3-BiAlO3复合体系的高温电学性能.2008年, Ye等又先后选用 BaT iO3和(Bi0.5Na0.5)TiO3为第二组元与 BiAlO3复合[29-30].研究显示,BiAlO3在两类复合体系中的固溶度均较低,小于 10%.随 BiAlO3含量的增加,BaT iO3-B iA lO3和(Bi0.5Na0.5)TiO3-BiAlO3复合体系的弛豫特性均显著增强.研究没有报道BaTiO3-BiAlO3体系的压电特性. 对于(1-x)(Bi0.5Na0.5)T iO3-xBiAlO3体系,随 BiAlO3含量的增加,体系室温压电性能大幅提升:压电常数d33和机电耦合系数kP分别由 x=0的 76 pC/N和0.15增大到 x=0.08的 130 pC/N和 0.23.但是,体系室温压电性能提升的同时高温压电性能出现劣化,复合后体系的居里温度低于组元 (Bi0.5Na0.5)T iO3和BiAlO3,不适合高温压电器件使用.2009年,国内合肥工业大学的左如忠等选用 (Na0.5K0.5)NbO3与BiAlO3复合构建 (1-x)(Na0.5K0.5)NbO3-xBiAlO3体系[31].研究发现,B iAlO3在复合体系中的固溶度较低,当 x>0.05,体系钙钛矿相分解,出现Bi24Al2O39杂相.然而,值得注意的是,该研究发现0.005≤x≤0.01时,体系形成准同型相界 (MPB),获得优良的压电性能:压电常数 d33和机电耦合系数 kp分别为 202 pC/N和 0.46.但是,居里温度372℃对于高温压电器件使用仍显较低.此外,2009年,印度理学院的 Ranjan等重点研究了(1-x)PbTiO3-xBiAlO3体系性能[32],结果发现:与广泛研究的 PbTiO3-BiScO3体系不同,由于有限的固溶度(x=0.20),PbTiO3-BiAlO3体系中并未出现准同型相界.但是该研究也发现一个有趣的现象,复合体系中Al对 Ti的取代并未弱化铁电态,作者指出原因是由于Bi在A位的占据增强了铁电稳定性,起到了补偿作用.尽管 PbT iO3-BiAlO3复合体系的居里温度达到500℃,但是由于该体系含铅,不符合环境友好材料的发展方向.3 研究展望高温压电材料有着非常广泛的应用前景,设计并合成符合环境友好型发展需要的高温无铅压电陶瓷材料是当前国内外的研究热点.B iAlO3钙钛矿材料具有高居里温度(Tc>520℃)和优良的温度稳定性,在高温压电器件领域存在潜在的应用.然而,现有对B iA lO3材料的研究仍有许多不足之处,还有待进一步的探索.这里,分别从粉体 (一维)、薄膜 (二维)和陶瓷 (三维)三种材料结构特征角度对 BiAlO3材料未来的发展方向和趋势作出展望.1)粉体技术方面.现有的常规陶瓷粉体工艺还无法合成出BiAlO3纯钙钛矿相.化学粉体工艺(如水热,溶胶 -凝胶,熔盐法等)基于液相环境下反应物在分子和原子尺度上的混合,大大提高了反应速率并显著降低反应温度,有利于低温合成高烧结活性的纳米粉体[33-34].利用化学粉体工艺有望在 BiAlO3分解温度以下(550℃)合成出钙钛矿相.此外,利用“化学模板”技术择优晶体结晶取向[35],生长 BiAlO3一维纳米线,还有利于发展新型无铅纳米电子器件.2)薄膜技术方面.随着电子元器件小型化、集成化的发展趋势,高温压电薄膜引起广泛关注.韩国浦项科技大学的 Shin等利用脉冲激光沉积技术(PLD),以高压工艺合成的 BiAlO3陶瓷为靶材,在 (001) SrRuO3/(100)LaAlO3衬底上沉积出 (001)取向的BiAlO3薄膜,测试剩余极化达到29μC/cm2,但该研究没有报道薄膜的压电和温度特性[36].未来 BiAlO3薄膜的发展,关键是解决高质量BiAlO3陶瓷靶材的低成本制备,并深入研究BiAlO3及其复合体系薄膜的可控取向生长与高温压铁电特性,拓展其在高温微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems,缩写为MEMS)领域的应用.3)陶瓷技术方面.B iA lO3单组元钙钛矿相陶瓷体的获得目前只能采用特种高压陶瓷合成工艺.尽管许多学者采用复合第二组元法,应用低成本的传统电子陶瓷工艺制备BiAlO3基多元系陶瓷,并取得一些进展.但现有研究中存在的普遍问题是,稳定的钙钛矿相复合体系结构中 BiAlO3组元含量很低,复合体系性能仍以添加的第二组元性能为主.此外,这类复合体系的居里温度也远低于 B iA lO3,压电性能不满足高温压电器件的使用需要.但是,基于工艺的简单性,未来BiAlO3陶瓷的研究还将以第二组元复合法为主.重点是借鉴已有的压电陶瓷复合经验,进行第二组元的选取和掺杂改性研究.将理论与实验结合,探索取代原子的化学特性对陶瓷微观结构和电学性能的影响机制,大幅提升BiAlO3组元的含量,在实现稳定钙钛矿相结构的同时,增强复合体系极化离子定向的稳定程度,提升材料高温压电性能.参考文献:【相关文献】[1]文海,王晓慧,赵巍,等(WEN Hai,et al).高温压电陶瓷研究进展.硅酸盐学报 (Journal of the Chinese Ceramic Society), 2006,34(11):1367-1373.[2]Eitel R E,Randall C A,Shrout T R,et al.New high temperature morphotropic phase boundary piezoelectrics based on Bi(Me)O3-PbTiO3ceramics.Jpn.J.Appl.Phys.,2001,40(10):5999-6002.[3]冯亚军,徐卓,李振荣,等(FENG Ya-Jun,et al).准同型相界(MPB)附近BS-PT高温压电陶瓷研究.无机材料学报(Journal of InorganicMaterials),2006,21(5):1127-1133.[4]Zou T T,WangX,H,Chen IW,et al.Bulk dense fine-grain(1-x)BiScO3-xPbTiO3ceramics with high piezoelectric coefficient.Appl.Phys.Lett.,2008,93(19):192913-1-3.[5]WolnyW W.European approach to developmentof new environmentally sustainable electroceramics. Ceram. Int.,2004,30(7): 1079-1083.[6]Takenaka T,Nagata H.Current status and prospectsof lead-free piezoelectric ceramics.J.Eur.Ceram.Soc.,2005,25(12):2693-2700.[7]Shrout T R,Zhang S J.Lead-free piezoelectric ceramics:alternatives forPZT?J.Electroceram.,2007,19(1):111-124.[8]Takenaka T,Nagata H,Hiruma Y.Current developments and prospective of lead-free piezoelectric ceramics.Jpn.J.Appl.Phys., 2008,47(5):3787-3801.[9]Chu B J,Chen D R,Li G R,et al. Electrical properties of Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3ceramics.J.Eur.Ceram.Soc.,2002,22 (13):2115-2121.[10]Trodahl H J,Klein N,Damjanovic D,et al.Raman spectroscopy of(K,Na)NbO3and(K,Na)1-xLixNbO3.Appl.Phys.Lett.,2008, 93(26):262901-1-3.[11]杜红亮,李智敏,周万城,等 (DU Hong-Liang,et al). (Na0.5K0.5)NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展.无机材料学报(Journal of InorganicMaterials),2006,21(6):1281-1291.[12]Saito Y,Takao H,Tani T,et al.Lead-free piezoelectrics.Nature, 2004,432(7013):84-87.[13]Guo Y P,Kakimoto K,Ohsato H.Phase transitional behavior and piezoelectric properties of(Na0.5K0.5)NbO3-LiNbO3ceramics.Appl.Phys.Lett.,2004,85(18):4121-4123.[14]忻隽,郑燕青,施尔畏(X IN Jun,et al).材料压电性能的第一性原理计算回顾与展望.无机材料学报(Journal of Inorganic Materials),2007,22(2):193-200.[15]Yamashita Y,Hosono Y,Harada K,et al.Effect ofmolecularmass of B-site ions on electromechanical coupling factors of lead-based perovskite piezoelectricmaterials.Jpn.J.Appl.Phys.,2000,39 (9B):5593-5596.[16] Okada M, Yoshimura T,Ashida A, etal. Synthesis of Bi(FexAl1-x)O3thin films by pulsedlaser deposition and its structural characterization.Jpn.J.Appl.Phys.,2004,43(9B):6609-6612.[17]Baettig P,Schelle C F,LeSar R,et al.Theoretical prediction of new high-performance lead-free piezoelectrics.Chem.Mater.,2005, 17(6):1376-1380.[18]Wang H,WangB,LiQ K,et al.First-principles studyof the cubic perovskitesBiMO3(M=Al,Ga,In and Sc).Phys.Rev.B,2007, 75(24):245209-1-9.[19]Wang H,WangB,Wang R,et al.Ab initio study of structural and electronic properties ofBiAlO3and BiGaO3.Physica B,2007,390 (1/2):96-100.[20]Li C L,WangB,Wang R,et al.First-principles study of structural,elastic,electronic,and optical properties of hexagonal BiAlO3. Physica B,2008,403(4):539-543.[21]Mangalam R V K,Ranjith R,Iyo A,et al. Ferroelectricity in Bi26-xMxO40-δ(M=Al and Ga)with theγ-Bi2O3structure.Solid State Commun.,2006,140(1):42-44.[22]BelikA A,Wuernisha T,Kamiyama T,et al.High-pressure synthesis,crystal structures,and properties of perovskite-like BiAlO3and pyroxene-like BiGaO3.Chem.Mater.,2006,18(1):133-139.[23]Zylberberg J,Belik A A,Takayama-Muromachi E,et al.Bismuth aluminate:a new high-TClead-free piezo-/ferroelectric.Chem.M ater.,2007,19(26):6385-6390.[24]AkiyamaM,Kamohara T,Kano K,et al.Enhancement of piezoelectric response in scandium aluminum nitride alloy thin films prepared by dual reactive cosputtering.Adv.M ater.,2009,21(5): 593-596.[25]Mangalam R V K,Bhat S V,Iyo A,et al.Dielectric properties, ther mal decomposition and related aspects of BiAlO3.Solid State Commun.,2008,146(11/12):435-437.[26]Wu N N,Hou YD,Wang C,et al.Effect of sintering temperature on dielectric relaxation and Raman scattering of 0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3system.J.Appl.Phys., 2009,105(8):084107-1-6.[27]Zhao L Y,Hou YD,ChangL M,et al.Microstructure and electrical properties of 0.5PZN-0.5PZT relaxor ferroelectrics close to the morphotropic phase boundary.J.Mater.Res.,2009,24(6): 2029-2034.[28]Zylberberg J,Ye Z G. Improved dielectric properties of bismuthdopedLaAlO3.J.Appl.Phys.,2006,100(8):086102-1-3.[29]Yu H C,Ye Z G.Dielectric properties and relaxor behaviorof a new (1-x)BaTiO3-xBiAlO3solid solution.J.Appl.Phys.,2008, 103(3):034114-1-5.[30]Yu H C,Ye Z G.Dielectric,ferroelectric,and piezoelectric properties of the lead-free(1-x)(Na0.5Bi0.5)TiO3-xBiAlO3solid solution.Appl.Phys.Lett.,2008,93(11):112902-1-3.[31]Zuo R Z,LvD,Fu J,et al.Phase transition and electrical properties of leadfree(Na0.5K0.5)NbO3-BiAlO3ceramics.J.Alloy. Compd.,2009,476(1/2):836-839.[32]KalyaniA K,GargR,Ranjan petingA-site andB-site driven ferroelectric instabilities in the(1-x)PbTiO3-(x)BiAlO3system. Appl.Phys.Lett.,2009,94(20):202903-1-3.[33]Mao YB,Park T J,Zhang F,et al.Environmentally friendlymethodologies of nanostructure synthesis.Small,2007,3(7):1122-1139.[34]Ge H Y,Hou YD,ZhuM K,et al.Facile synthesis and highd33of single-crystallinemun.,2008,41: 5137-5139.[35]Hou Y D,Hou L,Zhang T T,et al. (Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3 nanowires:low-temperature sol-gel-hydrothermal synthesis and densification.J.Am.Ceram.Soc.,2007,90(6):1738-1743.[36]Son J Y,Park C S,Shin Y H.EpitaxialBiAlO3thin film as a leadfree ferroelectric material.Appl. Phys.Lett.,2008,92(22): 222911-1-3.。

新型压电陶瓷的研制一、引言压电陶瓷是一种能够发生压电效应的陶瓷材料。

压电效应是一种材料在受到机械应力刺激时产生电荷的现象，同时也有相反的效应，即在施加电场时产生机械变形。

压电陶瓷具有优异的压电性能和稳定性，广泛应用于传感器、声学器件、电声器件等领域。

二、现有问题目前市场上已有多种压电陶瓷可供应，如PZT、PMN-PT、PIN-PMN-PT等。

这些陶瓷材料具有一定的性能优势，但也存在一些问题。

PZT材料具有的高压电效应和机电耦合系数较高，但其对环境敏感，易导致寿命短暂和性能变化。

PMN-PT材料具有的高静电驱动系数和大压电耦合系数，但纯度要求高、制备难度大且成本较高。

寻找新型的压电陶瓷材料，具有更好的性能和稳定性，是当前的研究热点。

三、研制目标本研究旨在研制一种新型压电陶瓷材料，具备以下优势：1. 高压电效应：具有较高的压电系数，能够将机械应力转换为电信号。

2. 高机电耦合系数：具有较高的机电耦合效率，能够将电信号转换为机械变形。

3. 稳定性良好：在不同环境条件下性能稳定，寿命长。

4. 制备简单：制备工艺简单、成本低。

5. 生态友好：原材料可再生，对环境无污染。

四、研制方法1. 材料选择：选择具有良好压电性能的陶瓷材料作为基础材料，如钛酸锆酸铅钠(PZNT)、铅钛锆酸铌(PTZ)等。

2. 材料合成：采用固相反应法或溶胶-凝胶法等方法制备所需的陶瓷材料。

3. 材料成型：将合成后的陶瓷材料进行成型，可以采用压制、注射成型等方法。

4. 材料烧结：通过高温烧结将成型后的陶瓷材料进行致密化处理。

5. 性能测试：对研制得到的新型压电陶瓷材料进行性能测试，包括压电系数、机电耦合系数、稳定性等方面的测试。

五、预期成果通过以上的研制方法，预期可以得到一种新型的压电陶瓷材料，具备高压电效应、高机电耦合系数和稳定性良好的特点。

该材料制备工艺简单，成本较低，对环境无污染。

预计可以在传感器、声学器件、电声器件等领域得到广泛应用，并取得良好的经济效益和社会效益。

压电陶瓷材料的热性能研究近年来，随着科技的不断发展和进步，压电陶瓷材料在多个领域得到广泛应用，如声波发射、颤振陶瓷转子、微波设备等。

其中，压电陶瓷材料的热性能研究至关重要。

本文将就压电陶瓷材料的热性能进行探讨。

一、热传导特性热传导特性是压电陶瓷材料的重要性能之一。

通过热传导实验，可以研究材料的热导率和热传导模型等。

热传导率是衡量材料传导热的能力指标，它与材料的晶体结构、密度以及热处理等因素密切相关。

研究发现，对于不同的压电陶瓷材料，其热传导率会有所差异。

因此，在实际应用中需要针对具体材料进行热传导特性的研究和分析，以确保所选用的材料能够满足所需热传导的要求。

二、热膨胀性能热膨胀性能是指材料在温度变化下的体积变化能力。

对于压电陶瓷材料来说，热膨胀性能的控制与材料的应变特性以及衰减特性有关。

研究表明，压电陶瓷材料的热膨胀系数与温度呈非线性关系，随着温度的变化，其热膨胀系数也会发生变化。

因此，在设计压电陶瓷材料时需考虑其热膨胀性能，以确保在不同温度条件下材料的可靠性和稳定性。

三、热稳定性热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性能。

对于压电陶瓷材料来说，高温环境下的稳定性对其在实际应用中的可靠性至关重要。

研究发现，压电陶瓷材料的热稳定性与材料的晶体结构、晶粒尺寸以及材料的制备工艺等因素有关。

研究人员通过改变材料的化学成分、添加稳定剂等方式，提高了压电陶瓷材料的热稳定性。

因此，研究压电陶瓷材料的热稳定性，有助于提高其在高温环境下的应用性能。

四、热耐久性热耐久性是指材料在长时间高温环境下的稳定性能。

压电陶瓷材料在实际应用中往往需要长时间地承受高温条件，因此其耐久性成为研究的热点之一。

研究表明，环境中的温度、湿度以及应力等因素对压电陶瓷材料的热耐久性有重要影响。

通过控制这些因素，可以提高压电陶瓷材料的热耐久性。

此外，研究发现，压电陶瓷材料的热耐久性与其微结构和晶体取向等因素也有密切关系。

因此，对压电陶瓷材料的热耐久性进行深入研究，有助于延长其在实际应用中的寿命。

引言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 ,它具有压电效应。

所谓压电效应是指由应力诱导出极化 (或电场 ) ,或由电场诱导出应力 (或应变 )的现象 ,前者为正压电效应 ,后者为负压电效应 ,两者统称为压电效应。

目前为止 ,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域 ,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。

可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。

随着新工艺和新材料的出现 ,压电陶瓷应用日新月异 ,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。

2压电陶瓷的广泛应用压电陶瓷的应用十分广泛。

大体说来 ,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。

2 1压电陶瓷频率控制器件压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等 ,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。

压电陶瓷片 (压电振子 )在外加交变电压作用下 ,会产生一定频率的机械振动。

在一般情况下这种振动的振幅很小 ,但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时会引起共振 ,振幅大大增加。

这时 ,交变电场通过逆压电效应产生应变 ,而应变又通过正压电效应产生电流 ,电能和机.免费能源--压电陶瓷的新用途。

压电陶瓷4000千瓦压电能量回收系统在以色列的高速公路（一公里能发出的电力是400千瓦电能。

)压电陶瓷是我们常见的“免费能源”比如，你身上的打火机。

你家煤气炉子的打火器。

还有压电陶瓷扬声器。

但是有没有人想过：用她来建一座发电厂呢？以色人就想到这点。

并且…建成‟--以汽车驶过。

路基受压。

的压电陶瓷公路。

这种压力是不必付款的免费能源。

只要初期投资。

以后将不必要任何"能源"的再投入。

而且永远免费。

路面下埋藏着…压电陶瓷的高速公路。

1立交桥更是非常棒的发电厂。

原则产生电已经应用于设备被放置在其振动沥青路面。

转换成电力,以色列的工程师希望收获的能量从过往车辆。

他们的精力充沛的数字是看点。

发包人哈伊姆阿布拉莫维奇从理工(以色列海法的理工学院)说该系统能生产400千瓦从1公里长的伸展,在一条四车道的公路系统。