摘要:广(guang)义上的陶瓷材(cai)料(liao)(liao)指的是(shi)除有(you)机和金(jin)属材(cai)料(liao)(liao)以外(wai)的其他所有(you)材(cai)料(liao)(liao),即(ji)无机非(fei)金(jin)属材(cai)料(liao)(liao)。
电(dian)子(zi)、通讯(xun)等高(gao)新技术的(de)(de)发(fa)展,对材(cai)(cai)料的(de)(de)功(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)化(hua)要(yao)求(qiu)不断提高(gao)。其(qi)(qi)中,压(ya)(ya)(ya)电(dian)材(cai)(cai)料是(shi)众多功(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)材(cai)(cai)料中的(de)(de)一(yi)种(zhong),因其(qi)(qi)能(neng)(neng)(neng)(neng)实现机械能(neng)(neng)(neng)(neng)与电(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)相(xiang)互转换(huan),在电(dian)子(zi)材(cai)(cai)料领域占有相(xiang)当(dang)大的(de)(de)比重,被认为是(shi)当(dang)今(jin)电(dian)子(zi)时代最重要(yao)的(de)(de)一(yi)类材(cai)(cai)料。同时压(ya)(ya)(ya)电(dian)陶瓷是(shi)制备(bei)压(ya)(ya)(ya)电(dian)点(dian)火器(qi)(qi)、遥(yao)测环境保护、压(ya)(ya)(ya)电(dian)陀螺、水声(sheng)换(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)、压(ya)(ya)(ya)电(dian)变压(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)以及频率(lv)控制器(qi)(qi)等的(de)(de)重要(yao)组成部分,被广泛应用于(yu)国防建设、科学研(yan)究(jiu)和工业生产,与人们生活密切相(xiang)关,成为信息时代的(de)(de)万能(neng)(neng)(neng)(neng)钥(yao)匙。据资(zi)料统计,2019年(nian)全球(qiu)压电陶(tao)瓷产品销售额已达到251亿(yi)美(mei)元以上,压电陶(tao)瓷正在(zai)成为当今社会不可或(huo)缺的一类功能材料。
压(ya)电(dian)陶瓷图
而(er)目前使用最(zui)为(wei)广泛的压电陶瓷材料仍(reng)是锆钛酸铅(PZT)基(ji)压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷,这(zhei)种(zhong)材(cai)料具(ju)有(you)很(hen)好的(de)(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)性(xing)(xing)能、较高的(de)(de)(de)机电(dian)耦合系(xi)数与相对电(dian)容(rong)率、较低的(de)(de)(de)介电(dian)损(sun)耗(hao)系(xi)数及(ji)易于(yu)改性(xing)(xing)掺杂等特性(xing)(xing),在压(ya)(ya)电(dian)驱动器应(ying)用中(zhong)具(ju)有(you)显著优势,占据了目(mu)前90%以上(shang)的(de)(de)(de)材(cai)料份(fen)额(e)。在PZT基(ji)压(ya)(ya)电(dian)材(cai)料中(zhong),氧化铅(qian)(PbO)的(de)(de)(de)含量约占材(cai)料比(bi)重的(de)(de)(de)70%,其在生(sheng)产、使(shi)用及(ji)废品(pin)处理过程中(zhong)势必会给(ji)人类及(ji)生(sheng)态环(huan)境(jing)造成难以计(ji)量的(de)(de)(de)损(sun)失,稍有(you)不慎,不仅(jin)会对人类赖以生(sheng)存(cun)的(de)(de)(de)生(sheng)态系(xi)统造成破坏(huai),还直接影响着人类的(de)(de)(de)生(sheng)命(ming)健康。同时PZT铅(qian)基(ji)压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷的(de)(de)(de)居里温度低,不利于(yu)器件在高于(yu)200℃以上(shang)的(de)(de)(de)环(huan)境(jing)中(zhong)稳(wen)定使(shi)用。
PZT压电陶瓷片
随着人们对环境保护和(he)人体(ti)健康的(de)(de)追求不断提(ti)高,开发(fa)可替代(dai)的(de)(de)无铅(qian)压电陶(tao)瓷材(cai)料引(yin)起了越来越多(duo)的(de)(de)关注。理解(jie)压电材(cai)料的(de)(de)基本(ben)原理,是进行相关研究的(de)(de)基础。
压电材料的发展历史概要
压电陶瓷
压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)是(shi)一类压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)多(duo)晶体,压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)在未极(ji)化(hua)前的(de)(de)(de)(de)性能(neng)是(shi)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同性的(de)(de)(de)(de),不具(ju)有压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)性。采(cai)用电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)极(ji)化(hua)处理,使得压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)(de)自发极(ji)化(hua)沿(yan)电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)排(pai)布,其压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)性能(neng)才能(neng)够显示出来。极(ji)化(hua)之前,需要(yao)在陶(tao)瓷(ci)两(liang)端镀(du)银(yin)形成银(yin)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)。极(ji)化(hua)前压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)中的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)畴方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)处于(yu)原(yuan)始(shi)状(zhuang)态(tai),取向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)杂乱无章(zhang)。在对其施加强(qiang)(qiang)直流电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)时(shi),压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)内(nei)部各(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)畴的(de)(de)(de)(de)极(ji)化(hua)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)开始(shi)发生转(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang),向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)外(wai)加电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)偏转(zhuan),逐(zhu)渐与场(chang)(chang)(chang)强(qiang)(qiang)趋于(yu)一致(极(ji)化(hua)状(zhuang)态(tai))。并(bing)且,外(wai)加电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)强(qiang)(qiang)度(du)强(qiang)(qiang)度(du)值越大(da),极(ji)化(hua)强(qiang)(qiang)度(du)也将随(sui)着(zhe)它的(de)(de)(de)(de)增大(da)而增高。当撤(che)掉(diao)电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)后,压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)中的(de)(de)(de)(de)一部分电(dian)(dian)(dian)(dian)畴恢复到原(yuan)始(shi)状(zhuang)态(tai),较(jiao)大(da)部分电(dian)(dian)(dian)(dian)畴呈(cheng)现外(wai)加电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(极(ji)化(hua)后状(zhuang)态(tai)),这表现为陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)(de)剩余极(ji)化(hua),此时(shi)才成为真正意(yi)义上的(de)(de)(de)(de)压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci),其强(qiang)(qiang)度(du)决定着(zhe)压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)材料的(de)(de)(de)(de)性能(neng)。
压电陶瓷(ci)的极化过(guo)程
压电陶瓷(ci)的性能参(can)数
(1)压(ya)电(dian)(dian)常数(shu)(shu):表征压(ya)电(dian)(dian)体在(zai)压(ya)力下产(chan)生极化(hua)强弱的常数(shu)(shu)。它可以反映材(cai)料的机(ji)械性能及介电(dian)(dian)性能间的相互关系,是压(ya)电(dian)(dian)材(cai)料最(zui)重要的参数(shu)(shu)之一。通常来说,一种(zhong)陶瓷的压(ya)电(dian)(dian)常数(shu)(shu)越(yue)大(da),其压(ya)电(dian)(dian)性能也就(jiu)越(yue)好(hao)。
(2)介电(dian)常数:反(fan)映压电(dian)材料电(dian)荷(he)储存(cun)能(neng)力(li)的物(wu)理(li)量(liang)。
(3)介电损(sun)耗:电介质在(zai)外(wai)电场的作用下,将一部(bu)分电能转(zhuan)变为(wei)热能的过(guo)程就是介电损(sun)耗。通常可以(yi)认为(wei)材料(liao)的介电损(sun)耗越大其性(xing)能也(ye)就越差。
(4)居(ju)里(li)(li)温度:居(ju)里(li)(li)温度也叫做(zuo)居(ju)里(li)(li)点(dian)(dian)或磁性转变点(dian)(dian),通常用Tc表(biao)示,表(biao)示着磁(ci)性材(cai)料(liao)的自发(fa)磁(ci)化(hua)(hua)强度降(jiang)至零时(shi)的温(wen)度。当温(wen)度低于(yu)居里温(wen)度时(shi),物质(zhi)表(biao)现为铁磁(ci)体(ti),此时(shi)和(he)材(cai)料(liao)有关的磁(ci)场很难(nan)改变。当温(wen)度高于(yu)居里温(wen)度时(shi),物质(zhi)表(biao)现为顺磁(ci)体(ti),周围磁(ci)场的变化(hua)(hua)容易使磁(ci)体(ti)的磁(ci)场发(fa)生改变。居里温(wen)度一般由物质(zhi)的化(hua)(hua)学成分和(he)晶体(ti)结(jie)构(gou)两方面共同决(jue)定。
(5)机械品(pin)质因(yin)数:机械品(pin)质因(yin)数Qm是衡量电感器件的重要参(can)数(shu)之一,可以反映出材料(liao)在谐振状态下为(wei)克服(fu)内摩(mo)擦而损失掉的能量。机(ji)械(xie)品质(zhi)因(yin)数(shu)Qm值可反映(ying)压(ya)电材料的(de)机(ji)械损耗的(de)大小(xiao),机(ji)械损耗越(yue)小(xiao)Qm越大。
(6)机电(dian)(dian)耦合(he)系数:机电(dian)(dian)耦合(he)系数是表征压电(dian)(dian)陶(tao)瓷机械(xie)能(neng)与电(dian)(dian)能(neng)之间的(de)耦合(he)效应(ying)(ying),是实际应(ying)(ying)用中最主(zhu)要的(de)一个参数。
(7)矫顽场(chang)(chang):电(dian)场(chang)(chang)较弱(ruo)时,极化(hua)(hua)和电(dian)场(chang)(chang)之间呈现出(chu)(chu)线性(xing)关系。此时占主导地位的(de)是可逆的(de)畴(chou)壁移动。当电(dian)场(chang)(chang)增(zeng)加(jia)到(dao)一定强度(du)时,铁(tie)电(dian)体(ti)的(de)极化(hua)(hua)强度(du)会(hui)急剧增(zeng)长,即微观上的(de)新畴(chou)成(cheng)核不可逆极化(hua)(hua)会(hui)随电(dian)场(chang)(chang)的(de)增(zeng)加(jia)比线性(xing)快。若电(dian)场(chang)(chang)反向(xiang),极化(hua)(hua)会(hui)随之降低(di)并改变方向(xiang),直到(dao)电(dian)场(chang)(chang)达到(dao)某一数值时,极化(hua)(hua)会(hui)再(zai)次(ci)趋(qu)于饱和。在反向(xiang)增(zeng)加(jia)电(dian)压的(de)过程中会(hui)出(chu)(chu)现极化(hua)(hua)强度(du)为0的点,此时对(dui)应的电(dian)场强(qiang)度即为(wei)矫顽场Ec。在压电陶(tao)瓷领域,一般(ban)希望所得材料的矫顽(wan)场较低(di),以(yi)更好的满足应用(yong)。
无(wu)铅压电陶(tao)瓷的种类
前(qian)面我们(men)了解了压(ya)电陶瓷的一(yi)些信息及其主要性(xing)能,这(zhei)有助(zhu)于我们(men)更好的了解无铅压(ya)电陶瓷其优点及不足,那(nei)么接下来(lai)就让我们(men)进一(yi)步了解无铅压(ya)电陶瓷。目(mu)前(qian),无铅压(ya)电陶瓷体系(xi)主要包括钨青铜结(jie)构、铋层(ceng)状结(jie)构、钙(gai)钛(tai)矿结(jie)构三大(da)类压(ya)电陶瓷材料(liao)。
(一)钨(wu)青(qing)铜(tong)结构陶瓷
钨(wu)青铜结构陶瓷的化学式可(ke)写为AxB2O6型,其结构是(shi)以共顶点的氧八面体连接而成。目(mu)前广泛关注的钨青铜结构的陶瓷(ci)主要以铌酸盐(yan)化(hua)合物为主:(SrxBa1-x)Nb2O6、Ba2AgNb5O15、(AxSr1-x)NaNb5O15(A=Ca、Mg、Ba)等。钨青铜结构的陶瓷(ci)材料具有介电(dian)损耗(hao)低(di)、自(zi)发(fa)极化强度(du)大(da)和居里温度高的优(you)点。然而钨青铜材料不仅烧结温度较(jiao)高,制(zhi)备困难(nan),而且温度稳定性(xing)也较差,这些导致了钨青铜结构压(ya)电材料长期以来(lai)很少得到应用。
(二)铋层(ceng)状结(jie)构陶(tao)瓷
铋层状结构陶瓷(ci)是一种含Bi的有氧八面(mian)体(ti)的层(ceng)状结构化(hua)合物铁电体(ti),其通式为(wei)(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,其中A和(he)B代表离(li)子(zi)半(ban)径和(he)价态合适的(de)离(li)子(zi),如A=Bi、Pb、Ba、Sr等稀(xi)土(tu)元素(su),B=Ti、Nb、Ta、W等,m=1、2、3、4、5。目(mu)前(qian)研究较(jiao)多的(de)铋(bi)层状结构(gou)陶瓷主要(yao)包括:Bi4Ti3O12,SrBi4Ti4O15,SrBi2Nb2O9及其改性的化合物等(deng)。铋层状结构(gou)陶瓷(ci)优点突出:电(dian)学性能(neng)各(ge)项异性明(ming)显、机械品质因数高、居(ju)里(li)温度高、相对介电常数低、电阻率高(gao)、介(jie)电击穿(chuan)强度高、谐振频率的时间和温度(du)稳(wen)定性(xing)好。但是,此类(lei)陶瓷的缺点也(ye)很明(ming)显,其矫顽场比较高、不(bu)容易极化、压电(dian)活性也比较低。
铋层状(zhuang)结构压电(dian)陶瓷的晶体结构(如Bi4Ti3O12)
(三(san))钙钛矿结(jie)构陶瓷
目前(qian),在(zai)无铅压电(dian)陶瓷(ci)中研(yan)究最广(guang)泛(fan)的(de)还是钙钛矿结(jie)构,这种结(jie)构的(de)无铅压电(dian)陶瓷(ci)又包括钛酸(suan)钡基陶瓷(ci)、钛酸(suan)铋(bi)钠基陶瓷(ci)和(he)铌(ni)酸(suan)钾钠陶瓷(ci),下面来具体(ti)看看:
钙钛矿结构压电陶瓷晶体示意(yi)图
(1)钛酸(suan)钡基陶瓷
BaTiO3(简称(cheng)为BTO)是最早(zao)(zao)被发(fa)现的(de)压(ya)(ya)电陶(tao)瓷(ci),是一种研究(jiu)相(xiang)(xiang)当成熟的(de)无铅压(ya)(ya)电陶(tao)瓷(ci)材料。钛酸(suan)钡陶(tao)瓷(ci)有四个晶相(xiang)(xiang),从高(gao)温(wen)(wen)到低温(wen)(wen)分别为:立方(fang)相(xiang)(xiang)-四方(fang)相(xiang)(xiang)-正交相(xiang)(xiang)-菱形相(xiang)(xiang),相(xiang)(xiang)对应的(de)相(xiang)(xiang)变(bian)温(wen)(wen)度依(yi)次为120℃、5℃和-80℃。虽然在早(zao)(zao)期钛酸(suan)钡陶(tao)瓷(ci)被广泛的(de)应用于超声换能(neng)器、音频换能(neng)器、压(ya)(ya)力传感器、滤波器和谐振器等等压(ya)(ya)器件(jian)中(zhong)。但是,它的(de)缺点(dian)也很明显:压电性能较低(d33=190pC/N),居(ju)里(li)温(wen)度不高(120℃),室温附(fu)近的(de)相变导(dao)致温度稳定(ding)性不(bu)好。因此,在性(xing)能(neng)更优(you)异(yi)的PZT陶瓷问世后(hou),BaTiO3陶瓷一般只作(zuo)为介电材(cai)料使用(yong)。当然近年来也(ye)有(you)学者利(li)用(yong)水热法(fa)合成(cheng)的(de)BaTiO3微粉为(wei)原料,利用微波烧结、两步烧结和TGG技术制备(bei)出(chu)了压电常数为360、460和(he)788pC/N的钛酸钡陶瓷。
钛(tai)酸钡(bei)压电(dian)(dian)陶瓷片(图片来源:淄博宇海电(dian)(dian)子陶瓷有限公司)
(2)钛酸铋钠基陶(tao)瓷
(Na,Bi)TiO3(简(jian)称为(wei)NBT)陶(tao)瓷具有居(ju)里温度高(Tc=320℃)、剩余极化大(Pr~38μC/cm2)、介电(dian)常数小、频率常数高、厚度机(ji)电耦合系(xi)数大等特点(dian),被认为是最有(you)潜力的(de)无铅压电(dian)材料(liao)体系之一。但(dan)是室温(wen)时的(de)矫顽场较(jiao)大(Ec~73kV/cm),而且铋元素易于挥发导致(zhi)陶瓷(ci)的致(zhi)密度和(he)电阻率下降,使得钛酸铋钠陶瓷(ci)很(hen)难(nan)极化,表现出较低的(de)压电性能(d33<100pC/N),很(hen)难真正实现实用化。
钛酸铋钠(na)粉(fen)体微(wei)观形貌图
(3)铌酸钾钠(na)基陶瓷
(K,Na)NbO3(简称KNN)陶(tao)瓷是(shi)铁电体(ti)KNbO3与反(fan)铁电体(ti)NaNbO3的二元系固溶(rong)体(ti)。早在2004年(nian)就有学者通过掺杂(za)改性(xing)和模板定向生长(zhang)法将同体系的陶瓷压电(dian)常数提(ti)高到426pC/N,在压电性(xing)能和居里温度等关键指标上可以与市场上的铅基(ji)陶瓷(ci)PZT-4相媲美。目(mu)前(qian),KNN基无(wu)铅压电(dian)陶瓷(ci)材料已在超声换能器、接触式传感器等(deng)方面(mian)获(huo)得了应用(yong)。但KNN基无(wu)铅压电(dian)陶瓷(ci)也有烧结困难、温度稳定性(xing)差、压电活(huo)性差的缺点。而随(sui)着近几年来KNN基压(ya)(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)压(ya)(ya)(ya)电(dian)性(xing)能(neng)和(he)温度稳定性(xing)的(de)不断提高(gao),研究(jiu)者们普遍认为KNN基压(ya)(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)是一类非(fei)常有潜力取代PZT基陶(tao)瓷(ci)的(de)无铅压(ya)(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)。
铌酸钾钠基压电陶(tao)瓷的晶体结(jie)构(gou)
结语
压(ya)(ya)(ya)电(dian)材料因其优(you)异的(de)机电(dian)转换特性,广泛应(ying)用于(yu)航(hang)空(kong)航(hang)天、精(jing)密(mi)仪器(qi)、医疗诊(zhen)断等领域。国内外学者近年来的(de)实验研究与(yu)理论探(tan)索,使得无铅(qian)压(ya)(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷各体系(xi)都有了(le)突破性进展。但是截止到目前(qian),无铅(qian)压(ya)(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷其压(ya)(ya)(ya)电(dian)性能在温度的(de)可控性上仍无法与(yu)PZT铅(qian)基(ji)压(ya)电陶(tao)(tao)瓷相媲(pi)美。无(wu)(wu)(wu)铅(qian)压(ya)电陶(tao)(tao)瓷性(xing)能(neng)的(de)全方(fang)位(wei)提(ti)升及(ji)实用化还需要(yao)进行细(xi)致漫长而更系统的(de)研(yan)究。具体(ti)可以(yi)从以(yi)下几个方(fang)面加(jia)以(yi)考虑(lv):首先,加(jia)强压(ya)电特性(xing)的(de)理论(lun)机理研(yan)究,结合(he)成熟的(de)PZT铅(qian)基(ji)压(ya)电陶(tao)(tao)瓷的(de)理论(lun)基(ji)础及(ji)研(yan)究成果,寻找新(xin)(xin)的(de)更高性(xing)能(neng)的(de)无(wu)(wu)(wu)铅(qian)压(ya)电材料体(ti)系;其次,研(yan)究和开发新(xin)(xin)的(de)陶(tao)(tao)瓷制备技(ji)术,其中包(bao)括新(xin)(xin)的(de)粉体(ti)合(he)成技(ji)术和新(xin)(xin)的(de)烧结技(ji)术。发展性(xing)能(neng)优异、环境(jing)友好的(de)无(wu)(wu)(wu)铅(qian)压(ya)电陶(tao)(tao)瓷对人类社会和环境(jing)可持(chi)续(xu)发展具有重(zhong)要(yao)意义,未来无(wu)(wu)(wu)铅(qian)压(ya)电陶(tao)(tao)瓷的(de)市场前景(jing)广阔,值得(de)人们的(de)关注和重(zhong)视。
参(can)考(kao)来源:
(1)NBT基(ji)无铅压电(dian)陶瓷(ci)A位离子半径调控对结构与(yu)性能的影(ying)响,郝凯军。
(2)BiFeO3-BaTiO3基无铅压电陶瓷电导与应(ying)变性能研究,王磊。
(3)钛酸(suan)铋钠基钙钛矿(kuang)型无铅压电(dian)陶瓷性能(neng)与(yu)机理研究,李志(zhi)涛。
(4)铌(ni)酸钾钠基无(wu)铅压电陶瓷掺(chan)杂改(gai)性及性能研究,李(li)晨(chen)薇(wei)。
(5)Fe的(de)掺杂对锆钛(tai)酸钡钙(gai)基无铅陶瓷结(jie)构及性能(neng)的(de)影响(xiang),高铭泽。
(6)铌酸钾钠基无铅压电陶(tao)瓷(ci)的制备与物(wu)性的研究,姚卫增。
(7)一种低(di)温下快(kuai)速制备立方钛酸(suan)铋钠粉(fen)体的方法与(yu)流程,王卓,念雯(wen)雯(wen),王添,肖雨佳,陈浩楠,王枭(xiao)颖。
(8)钙钛(tai)矿结构无(wu)铅压电(dian)陶瓷的研究进(jin)展,师金华。
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