钛酸钡基无铅压电陶瓷研究的新进展

压电复合材料摘 要: 从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。

针对不同压电材料在生产实践中的应用情况, 列出现阶段压电材料的制备技术。

综述了近年来压电材料的研究现状, 并系统介绍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；制备工艺；应用Abstract: This paper begins with the piezoelectric effect and introduces the classification and structure of piezoelectric materials. Considering the application of different piezoelectric materials in the production practice, preparative techniques of piezoelectric material in the current stage are listed. Research actuality of piezoelectric materials is summaried. Application and development of the piezoelectric materials in various Fields are also introduced systematically.Keywords: piezoelectric material; piezoelectric effect; preparative technique; application1.引言自20世纪出现压电材料以来, 因其独特性能,逐渐成为材料领域中的重要组成部分。

随着电子、导航和生物等高技术领域的发展, 人们对压电材料性能的要求越来越高。

目前, 研究和开发压电材料主要是从老材料中发掘新效应, 开拓新应用; 从控制材料组织和结构入手,运用新工艺制备各种新型压电材料。

钛酸钡材料综述1.引言钛酸钡铁电陶瓷是20世纪中叶发展起来的一种性能卓越的介电材料，即便其发展时间较短，但其具有卓越的压电性能、介电性能及热释电性等，使其一跃成为功能陶瓷领域内极为重要的组成部分，并且其作为电子陶瓷元器件的基础材料，推动了电子工业的发展。

近些年，全球电子工业发展迅速，其高性能、高精度、小型化的特点对主要原料提出了更高的要求，这无形中也对钛酸钡铁电陶瓷的发展也提出了较高要求[1]。

在实际生产中，要求钛酸钡铁电陶瓷粉体超细、超纯，并对主要原料掺杂改性技术方面不断完善。

2.钛酸钡铁电陶瓷的主要制备技术钛酸钡铁电陶瓷材料的常用制备方法有固相合成法、液相合成法两大类。

针对每个大类的合成方法下面还包含了诸多支路，其具体操作各具特色。

传统固相合成法是一种常用的合成方法，但是由于该方法年代久远，因此所制备的产物粉体纯净度较低，且回收颗粒物体积大、化学活性较差，所以当前工业上使用该方法生产钛酸钡粉效果较差。

尤其是在电子产业中，对元件性能要求高，需要可靠、固态化、多功能性、多层化等高要求的元件。

面对此趋势，经过改进后的液相合成法可以达到较好的效果，液相合成法包括凝胶法、化学沉淀法、水热合成法等。

由于这些方法合成温度要求低且其各组分是在分子水平合成的，所以该方法制备出来得纯钛酸钡粉产物具有结晶性好、组成均匀、粒径可控、无团聚、纯度极高等优势，可充分发挥元器件的电子性能。

以钛酸四丁酯Ti(OC4H9)4(98．0％)、硝酸钡Ba(N03)：(99．5％)和草酸H2C204(99．5％)为初始原料，在微波温度为80℃，微波时间为10 min，煅烧温度为700℃和煅烧时间为1 h的条件下制备一定量晶粒尺寸在30—50 nm的BaTiO，纳米粉放入研钵中，用浓度5％作为粘合剂的PVA溶液制造颗粒，再用80～120目的筛子对颗粒进行筛选。

每次称取0．35 g左右的样品放入模具中，在10 MPa 的压力下对粉体进行干压成型，最后对瓷坯进行排胶、烧结等后续处理。

钛酸钡性能特点及应用情况钛酸钡是一种具有重要应用价值的无机材料，具有许多优秀的性能特点和广泛的应用情况。

首先，钛酸钡的性能特点：1. 高介电常数：钛酸钡具有较高的介电常数，可以用于制备高介电常数的材料。

这使得钛酸钡在电子元器件领域有着广泛的应用，如电容器、压电传感器等。

2. 光学性能优异：钛酸钡具有优异的光学性能，具有较高的折射率和透过率。

这使得钛酸钡可以用于光学器件制备，如光学玻璃、光学薄膜等。

3. 高热稳定性：钛酸钡具有较高的热稳定性，能够在高温环境下稳定存在。

这使得钛酸钡在高温材料制备中得到广泛应用，如高温陶瓷、催化剂等。

4. 压电性能良好：钛酸钡具有良好的压电性能，可以通过施加电压产生机械变形，或者通过施加力使其产生电压。

这使得钛酸钡在传感器、声波滤波器等领域得到广泛应用。

其次，钛酸钡的应用情况：1. 电子器件领域：钛酸钡可用于制备高介电常数材料，用于制造电容器、压电传感器等电子元器件。

2. 光学器件制备：钛酸钡具有优异的光学性能，可用于制备光学玻璃、光学薄膜等光学器件。

3. 高温材料制备：钛酸钡具有高热稳定性，可用于制备高温陶瓷、催化剂等材料。

4. 声波滤波器制备：钛酸钡具有良好的压电性能，可用于制备声波滤波器，用于声学信号的处理和滤波。

5. 医疗领域应用：钛酸钡可用于制备骨修复材料，作为骨填充材料或人工骨骼的一部分，以加快骨折愈合。

此外，钛酸钡还可以用于催化反应、压电陶瓷、能量存储器件等领域，展示了广泛的应用前景。

总结而言，钛酸钡作为一种重要的无机材料，具有高介电常数、优异的光学性能、高热稳定性和压电性能等特点，在电子器件、光学器件、高温材料、声波滤波器等领域有着广泛的应用前景。

这些特点和应用情况使得钛酸钡成为科学研究和工程应用中不可忽视的材料之一。

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。

第1章绪论1.1 无铅压电陶瓷的研究意义压电陶瓷可以直接实现电能和机械能的转换。

因而被广泛应用在超声换能、无损探伤、传感器、电子信息等高新技术领域，产品涉及汽车、电子、军事、医疗等各个行业[1]。

压电技术的发展对科技的进步，人民生活水平的提高均有重要的意义。

目前，市场上使用最多的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系压电陶瓷材料。

PZT系压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过参杂改性来满足不同的性能要求，因而广受欢迎。

但这些陶瓷中PbO的含量超过60%[2]，而PbO是一种易挥发的有毒物质，其被人体吸收后会在人体内集聚，引起铅中毒，使人的神经系统受到损伤，严重的可能导致脑瘫和肾功能衰竭。

[3]此外，铅基陶瓷在生产、使用过程中以及废弃后的处理过程中都会对环境产生严重危害，并且通过水和食物链进行扩散[4]。

近年来随着人们环保意识的增强，人们越来越意识到铅的危害。

为了人民的身体健康，许多国家已立法禁止使用含铅电子材料。

如欧盟规定到2006年7月1日，所以新生产的电子材料都不能含铅[5]。

但在压电陶瓷方面，铅基陶瓷还无法被取代，故只能把含铅压电陶瓷列在禁止名单之外。

但开发无铅压电陶瓷仍是大趋势。

在国际政策和经济利益以及科学探索精神的共同驱使下，这几年无铅压电陶瓷的研究很热，国内外专家学者都做了大量的探索，并取得了不少进步。

1.2 无铅压电陶瓷分类及研究现状现在在研究的无铅压电陶瓷主要分钙钛矿结构材料和非钙钛矿结构材料。

非钙钛矿结构材料有铋层状结构材料和钨青铜结构材料。

1.2.1 铋层状结构材料铋层状结构铁电体是由二维的钙钛矿层和(Bi2O2)2+层有规则地相负交替排列而成,,化学通式为(Bi2O2)2+(A m-1B m O3m+1)2-,此处,A为Bi3+、Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适合于12配位的+1、+2、+3、+4价离子或由它们组成的复合离子,B为Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+、Mo6+、Co3+、Cr3+、Zr4+等适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子,m为一整数,对应于钙钛矿层厚度方向的原胞数[6].铋层状结构无铅压电陶瓷具有居里温度高, 其中Bi3NbTiO9作为这些材料中居里温度最高的一种，Tc达到914℃，另外它还有介电击穿强度大,介电损耗低,性能各向异性大以及温度、应力性能稳定等特征.所以,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景.但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场EC高., 现有报道的这类材料的d33最高值才25pC/N[7].且介电温度也很低。

pzt压电陶瓷晶体结构
摘要：
1.PZT压电陶瓷简介
2.PZT压电陶瓷的晶体结构
3.PZT压电陶瓷的性能与应用
4.我国在PZT压电陶瓷领域的研究进展
正文：
一、PZT压电陶瓷简介
PZT（lead zirconate titanate，铅锌钛酸盐）压电陶瓷是一种具有优良压电性能的陶瓷材料。

在自然界中，PZT矿物稀少，因此，科学家们通过研究和合成，成功制备出了具有高精度、高性能的PZT压电陶瓷。

二、PZT压电陶瓷的晶体结构
PZT压电陶瓷的晶体结构属于四方对称结构，其化学式为PbZrO3-PbTiO3。

在这种结构中，钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）以固溶体的形式存在，共同赋予了PZT压电陶瓷优异的性能。

三、PZT压电陶瓷的性能与应用
1.压电性能：PZT压电陶瓷具有较高的压电常数、较低的介电常数和良好的疲劳稳定性，使其在声学、振动和能量转换等领域具有广泛的应用。

2.铁电性能：PZT压电陶瓷具有较高的铁电储能密度，使其在电磁屏蔽、存储器和传感器等领域具有重要应用。

3.机电转换性能：PZT压电陶瓷具有良好的机电转换效率，广泛应用于超
声波换能器、马达、致动器和机器人等领域。

4.我国在PZT压电陶瓷领域的研究进展：近年来，我国在PZT压电陶瓷材料的研究取得了显著成果，包括制备工艺的优化、性能的提高和新材料的研发。

这些成果为我国在压电陶瓷领域的创新发展奠定了基础。

综上所述，PZT压电陶瓷作为一种高性能的陶瓷材料，在多个领域具有广泛的应用。

锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷的掺杂改性研究与超声压电马达
的研制的开题报告
一、研究背景
锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷是一种具有重要应用价值的功能材料。

其具有高压电系数、良好的压电效应和机械性能、高稳定性等特点，已被广泛应用于声发生器、滤波器、传感器、超声波医疗和控制等领域。

然而，PZT材料的制备和应用过程中，存在一些问题，如Pb的毒性、性能不稳定等问题，这些限制了PZT的发展和应用。

为解决以上问题，人们进行了大量的掺杂改性研究。

目前已有多种掺杂离子能够有效地改善PZT材料的性能，如La、Sr、Bi等离子的掺杂能够提高PZT材料的压电系数和稳定性，Zn、Mn等离子的掺杂可改善其烧结性能。

二、研究内容
本文旨在对PZT系压电陶瓷进行掺杂改性研究，以提高其性能和稳定性，从而研制出具有高性能的超声压电马达。

具体研究内容如下：
1. 掺杂离子的选择和掺量的确定：选择常用的La、Sr、Bi等离子进行掺杂，并探究掺量对PZT材料性能的影响。

2. 材料制备和表征：采用固相反应法制备掺杂PZT材料，并进行形貌、物理性能、力学性能等方面的表征。

3. 超声压电马达的设计和制备：根据PZT材料的性能要求，设计合适的超声压电马达结构，并制备出实验样品。

4. 马达性能测试及分析：对制备好的超声压电马达进行压电性能测试和声压级测试，分析其性能和稳定性。

三、研究意义
本研究可以探究PZT系压电陶瓷的掺杂改性及其对超声压电马达性能的影响，为PZT材料的应用提供更多的技术支持和选材指导。

同时，研究结果还可以为其他陶瓷材料的掺杂改性提供借鉴。

压电陶瓷的生产与应用研究一、引言压电陶瓷是指通过压力作用下会产生电荷分布的功能性陶瓷材料。

其具有压电效应、声表面波效应、频率稳定性等特点，广泛应用于声电子、精密仪器等领域。

本文主要介绍压电陶瓷的生产工艺和应用研究。

二、压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷的生产工艺主要包括材料制备、成型、烧结等环节。

1．材料制备常用的材料有钛酸钡、铅锆钛酸钡、铅硅酸钡、铁酸锆等。

首先将这些材料按一定比例混合，经过球磨或搅拌等步骤均匀混合，再经过筛选去除杂质。

然后将混合材料在加热条件下进行干燥处理，以去除其中的水分和挥发性有机物，得到均匀的粉末。

2．成型常见的成型方式有干压成型、注塑成型、压注成型等。

其中，干压成型是最常见的一种方式。

将混合后的粉末通过模具压制成所需的形状，压制后会留下一定的压力，使得陶瓷材料具有压电效应。

3．烧结将成型的陶瓷材料放入烧结炉中，在一定的温度下进行烧结处理。

这个过程中，材料会发生一系列化学反应，使得材料的密度和强度逐渐提高，从而获得压电陶瓷材料。

三、压电陶瓷的应用研究压电陶瓷的应用主要集中在声电子领域和精密仪器领域。

1．声电子领域在声电子领域，压电陶瓷主要应用于扬声器、麦克风等设备。

薄膜压电陶瓷作为扬声器的振动板材料，具有机械刚性好、振动频率稳定等优点，被广泛应用于手机、汽车音响等场合。

而声圈压电陶瓷广泛用于麦克风等设备中，具有电荷稳定、压电系数高等特点，能够提高设备音质、稳定性等。

2．精密仪器领域在精密仪器领域，压电陶瓷主要应用于陀螺仪、压力传感器等设备中。

前者是指利用压电陶瓷材料的压电效应对转动角度进行检测，并结合信号处理与控制器处理后得到最终数据，广泛应用于航空航天领域等。

后者则是指压电陶瓷作为灵敏元件，利用其高灵敏度、快速响应等特点，可用于测量大气压力、流体压力等参数，被广泛应用于工业自动化、医疗卫生等领域。

四、现状和发展趋势压电陶瓷的应用范围越来越广泛，并且有不断的技术创新。

其中，薄膜压电陶瓷材料、高温压电陶瓷材料等就是近年来的创新方向。

钛酸钡用途钛酸钡是一种具有多种用途的重要化学物质。

以下是钛酸钡在各个领域中的应用:1. 电子陶瓷材料: 钛酸钡被广泛应用于电子陶瓷材料的制备。

由于钛酸钡具有良好的电介质性能和稳定的介电常数，它可用于制造电容器、陶瓷压电谐振器和表面声波器。

此外，在随机存取存储器（RAM）、表面声波滤波器、陶瓷变压器和振动传感器等电子设备中也广泛应用了钛酸钡。

2. 压电陶瓷材料: 钛酸钡是制造压电陶瓷材料的关键成分。

这种材料具有良好的压电性能，可用于制造压电陶瓷传感器、压电陶瓷换能器和压电陶瓷陶瓷换能器等。

在许多工业领域中，如测量和控制、声波传感和振动控制等方面，压电陶瓷材料都发挥着关键作用。

3. 超导材料: 钛酸钡在制备超导材料方面也具有重要的应用。

通过在钛酸钡中引入适当浓度的氟化物或氧化物，可以制备出高温超导体。

这些材料具有低电阻、零电阻和巨大的磁滞效应等优异的超导性能，被广泛应用于电能传输和能量储存领域。

4. 催化剂: 钛酸钡也可以作为催化剂应用于催化反应中。

例如，钛酸钡可以作为氧化剂催化剂用于有机化学反应中的氧化反应，如醇的酸性氧化和脂肪酸的氧化等。

此外，钛酸钡还可以作为催化剂用于催化汞(II)离子和氧化剂反应生成金属汞，用于环境污染物的处理。

5. 其他应用: 钛酸钡还在其他领域中发挥着重要作用。

例如，钛酸钡可用于制备高温热电材料，用于能量转换和热能收集。

此外，钛酸钡还可用于制备光学玻璃透明陶瓷，用于红外传感器、红外测温仪和激光器件等。

总的来说，钛酸钡是一种具有重要应用价值的化学物质。

它在电子陶瓷材料、压电陶瓷材料、超导材料、催化剂和其他领域中都有广泛的应用。

随着科学技术的不断发展，钛酸钡的应用还将不断拓展，为各个领域的发展做出更大的贡献。