陶瓷的掺杂改性与压电性能

压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。

它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。

因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。

本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。

首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。

压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。

他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。

这被称为正压电效应。

而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。

接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。

压电陶瓷具有几个主要的特性。

首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。

这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。

其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。

它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。

此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。

这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。

压电陶瓷具有广泛的应用领域。

其中一个主要应用是在传感器领域。

压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。

这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。

另一个主要应用是在换能器领域。

压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。

这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。

此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。

总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。

它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。

压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。

它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。

希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。

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。

论文题目：NBT基无铅压电陶瓷的制备与电性能研究专业：材料学硕士生：宋瑞雪(签名)指导教师：杜慧玲(签名)摘 要压电陶瓷是一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料。

传统的压电陶瓷在制备过程中存在着铅的挥发，不仅使陶瓷的化学计量比偏高，还会对环境造成污染。

Na1/2Ba1/2TiO3(简称NBT)具有很强的铁电性，是一种很有希望的无铅压电材料。

但纯NBT具有较高的矫顽场和电导率，极化十分困难，压电性能难于充分表现出来，通过掺杂取代可降低其矫顽场。

本论文以K+、Ba2+、Li+离子对NBT基陶瓷进行A位取代，采用固相合成法，制备出NBT基陶瓷样品，系统研究了材料的制备工艺、结构、介电性能和压电性能，分析了NBT基陶瓷的压电性能与组成、结构之间的相关性，并结合实验结果探讨了NBT基陶瓷的铁电本质及其对材料压电性能的影响。

XRD分析表明，随着K+、Ba2+、Li+离子取代量的增加，样品的晶体结构逐渐由三方相向四方相转变，在x=0.03时，材料体系存在三方、四方相共存的准同型相界。

SEM 分析表明，K+、Ba2+、Li+离子的掺入抑制了晶粒的长大，使晶粒的尺寸变小。

测试了各组成点样品的压电性能，结果表明，与PZT基含铅压电陶瓷相似，材料在准同型相界组成范围内压电性能最佳d33=150p C/N。

测试了样品的电滞回线，发现K+、Ba2+、Li+离子的掺入有效降低了NBT基陶瓷的剩余极化强度和矫顽场，样品的矫顽场降至E c=2.4kV/mm.研究了样品在不同频率下(0.1, 1, 10, 100kHz, 1MHz)，从室温到500℃的介电性能与温度的变化关系。

系列样品的介电温谱显示在所测温度范围内存在两个介电反常峰，分别对应于陶瓷材料的铁电-反铁电-顺电相变，同时发现该系列样品显示出弛豫铁电体特性，并用成分起伏理论解释了这种弛豫弥散相变。

研究了NBT基陶瓷的铁电性。

研究结果表明，NBT基陶瓷铁电性能与压电性能的变化规律存在明显的对应关系。

压电陶瓷的发展及其应用简介压电陶瓷是指把氧化物混合(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，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。

由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能，压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。

随着材料工艺的不断研究和改良，以及电子、信息、航空航天等高科技领域日新月异的发展，作为含高智能新型材料的压电陶瓷的生产技术和应用开发是人们关注的热门课题。

压电陶瓷压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。

由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的. 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质.发展历史1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。

1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。

1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。

第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。

压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。

压电陶瓷报告1.基本概念压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。

图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图所示。

图PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片1.1晶胞结构目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。

该类材料的化学通式为ABO3。

式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。

其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图所示。

压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。

如下式及图6所示。

PbTiO3（PT ）：四方相 立方相BaTiO3（BT ）：三角相 正交相 四方相 立方相自发极化的产生以BT 材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。

（a ）立方相 （b ）四方相由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因490℃ 120℃ 5℃ -90℃Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c 轴的电极化。

这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。

1.2压电效应某些介质在力的作用下，产生形变，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。

其中，如果压力是一种高频震动，产生的就是高频电流。

如果将高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动）。

1.3压电陶瓷具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，发生正压电效应时，表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

当发生负压电效应时，形变的大小与电场强度成正比。

1.4压电作用机理压电效应首先是在水晶晶体上发现的，现在我们以水晶晶体为模型，说明产生压电效应的物理机理。

当不施以压力时，水晶晶体正、负电荷中心如上图分布，设这时正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，晶体表面不荷电（不呈压电性）。