无机材料物性--压电陶瓷

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1、无机材料物性课程论文题目压电陶瓷材料研究进展专业班级材料科学与工程1班学号1114111038姓名谭智文任课教师黄妙良2015年1月15日8压电陶瓷材料研究进展摘要：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。该材料应用前景广阔，是一种极有发展潜力的材料。关键词：压电陶瓷；研究进展；发展趋势1引言压电材料最早由Jacques和PierreCurie兄弟于1880年发现的，居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在a

2、石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。绝大部分压电体来源于铁电体。一般认为，铁电性的研究始于1920年，是法国人Valasek发现的铁电现象，他观察到罗息盐(酒石酸钾钠，NaKC4H4064H20)的极化可以在施加外电场的情况下反向。1935—1938年，苏联的G．Busch和P．Schemer研制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾(KH2P04，简称KDP)和磷酸二氢氨((NH4)H2P04，简称ADP)，在四十年代得到了广泛应用，对压电铁电材料的发展起了很大的推动作用。目前

3、，世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题。压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、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。压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良,压电陶瓷的技术应用愈来愈广。压电材料作为机、电、声，

4、光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用，世界各国都高度重视压电陶瓷材料的研究和开发82压电陶瓷发展现状根据材料中独立组元的数目可将压电陶瓷分为一元系、二元系、三元系及多元系压电陶瓷。BaTiO3，是典型的一元系陶瓷铁电体，具有钙钛矿晶体结构（见图1），不溶于水，机电耦合系数大，制备工艺简单，成本低，是最早具有实用价值的压电陶瓷。为了得到性能更加稳定、居里温度更高的压电陶瓷，人们发现Ti4+离子半径和Zr4+离子半径相近，两种离子的化学性能也相似，PbTiO3，和PbZrO3，能以任何比例形成

5、连续固溶体。通过与BaTi03，中Ba、Ti置换，控制Zr/Ti比，并在此基础上采取等价离子和不等价离子的置换，以及掺加微量杂质、氧化物的方法，成功研制出性能大大优于BaTiO3的压电陶瓷材料——锆钛酸铅，即PZT压电陶瓷．Jaffe等人发现：在Pb(Zr行Ti1-X)03体系中x=0．52附近，四方铁电相和三方铁电相共存．在相界附近．随着钛离子浓度的增加，自发极化方向的取向将从[111]向[001]变化。在这一过程中，晶体结构不稳定，因此介电活性和压电性能显著提高，压电常数是BaTio3的2倍，且各方面的性能比钛酸钡陶瓷好得多

6、。PZT系陶瓷是一种很有发展前景的功能材料，它的出现开创了压电陶瓷应用的新局面。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。大量研究也表明，各种弛豫铁电体与PZT陶瓷相组合，以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性，可获得更高介电、压电性能，现已在三元系的基础上开发了特殊用途的四元系等多元系压电陶瓷材料，这使得压电陶瓷的研究前景更为广阔。图1：钙钛矿晶体结构83新型压电陶瓷的发展应用3.1无铅

7、压电陶瓷材料压电陶瓷在人们生活中的很多方面具有重要的应用，但是目前全球在大量使用的压电陶瓷材料仍是传统的含铅压电陶瓷，其中铅元素含量高达60％以上。氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产、制备、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境造成损害。随着环保意识的日益深入，国际上正积极通过法律、法规、政府指令等形式对含铅的电子产品加以禁止。高温烧结时PbO的挥发，在对环境造成污染的同时，还会造成陶瓷化学计量比的偏离，影响材料性能。因此，无铅压电陶瓷逐渐成为压电陶瓷材料研究的热点之一。无铅压电陶瓷的种类主要有：BaTiO3基无铅压电

8、陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷和BNT基无铅压电陶瓷等，各种无铅陶瓷性能见表1所示。表1：几种无铅压电陶瓷薄膜性能近年来，无铅压电陶瓷已经有了一定的发展，发展趋势是：制备技术的更新，如使陶瓷的微观结构呈现一定的单晶特征；将压电陶瓷多元系或A位