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功能(neng)陶(tao)(tao)瓷是先进陶(tao)(tao)瓷的(de)重要组成(cheng)部分，是以电、磁、声、光、热(re)和力学等信息的(de)存储、检(jian)测、耦合及转(zhuan)换等主(zhu)要特征的(de)介(jie)质材料(liao)，主(zhu)要包括压电、介(jie)电、热(re)释电和磁性等功能(neng)各异的(de)新型(xing)陶(tao)(tao)瓷材料(liao)，其中压电陶瓷是(shi)功能陶瓷(ci)领域的主流材(cai)料之一。

压电(dian)陶瓷(ci)

目前大多数(shu)商(shang)用现成的压(ya)电(dian)陶瓷是几种氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)的复合物(wu)(wu)(wu)，这些氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)在外(wai)力作用下(xia)变形以产生(sheng)电(dian)信号。具有特(te)殊(shu)光(guang)、电(dian)性(xing)能(neng)以及高(gao)绝缘等物(wu)(wu)(wu)理特(te)性(xing)。目前基的压(ya)电(dian)陶瓷有锆钛(tai)酸(suan)(suan)钡、锆钛(tai)酸(suan)(suan)铅(qian)、锆酸(suan)(suan)锶等(deng)，主要用于电容器、滤波器、集成电路基板等(deng)陶瓷器件(jian)。

什么是压电效应？

某些(xie)电(dian)(dian)介质在沿一定方(fang)向(xiang)受外力(li)作用(yong)而变形时﹐内部(bu)产(chan)生(sheng)极化的(de)同(tong)时﹐在晶体的(de)两个相对的(de)表面上(shang)出(chu)现正负(fu)电(dian)(dian)荷，此现象称为(wei)(wei)压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)。压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)分为(wei)(wei)正压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)和逆压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)。所谓正压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)是(shi)指晶体因机械应(ying)(ying)力(li)的(de)作用(yong)而使其介质化﹐并使其表面荷电(dian)(dian)的(de)效(xiao)应(ying)(ying)。反之(zhi)﹐当在晶体外部(bu)施加(jia)电(dian)(dian)场时，受电(dian)(dian)场影响(xiang)的(de)晶体会产(chan)生(sheng)机械形变﹐称为(wei)(wei)逆压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)。

左：正压电(dian)效(xiao)应(ying) 右：逆压电(dian)效(xiao)应(ying)

1、锆钛酸(suan)钡

BaTiO₃系列铁(tie)电(dian)材料(liao)是(shi)一种重要的功能(neng)(neng)材料(liao)，其中，钛酸锶钡(bei)(BST)固溶体(ti)表现出优良的铁(tie)电(dian)性能(neng)(neng)，如(ru)高介电(dian)常数、强介电(dian)非线性、不易疲劳(lao)、居(ju)里温度可调(diao)等特性，在微电(dian)子学(xue)(xue)、光电(dian)子学(xue)(xue)、集成光学(xue)(xue)和微电(dian)子机械系统等领域具有广泛的应用前景。但是(shi)，当外加(jia)直(zhi)流(liu)电(dian)场(chang)超(chao)过(guo)几十万V/cm以后(hou)，其漏电(dian)流(liu)密度上升(sheng)几个数量级，并(bing)在2×10⁶ V/cm左右(you)发生击穿，从(cong)而限(xian)制了薄膜(mo)材料的最(zui)小厚度。

而锆钛(tai)酸(suan)钡(BZT)是—种(zhong)可能替代(dai)BST的材料，这(zhei)是因为Zr⁴⁺比Ti²⁺的半径大（分别(bie)为0.087 nm和0.068 nm），当Zr⁴⁺取代ABOs钙钛矿(kuang)结构B位的Ti²⁺时(shi)，可增大材料的晶格常数，并且Zr⁴⁺比Ti²⁺更稳定。与BST相比，BZT中Ti⁴⁺与(yu)Ti³⁺之间的(de)电子跳跃引起的(de)电导(dao)减小了(le)。因此(ci)，BZT材料(liao)的(de)研究(jiu)越来越受(shou)到人们的(de)高度关注。

烧结好的BZT陶瓷的SEM图

锆(gao)钛酸钡陶瓷作为高(gao)介(jie)(jie)电(dian)材料，室温介(jie)(jie)电(dian)常数可以(yi)高(gao)达20000以(yi)上，是典型的高(gao)介(jie)(jie)瓷料的主要成(cheng)(cheng)份。其制备方法(fa)大致分为以(yi)下几种：固相法(fa)、溶胶凝胶法(fa)、微波烧(shao)结(jie)、机械合金化、低温烧(shao)结(jie)、水热合成(cheng)(cheng)法(fa)、共(gong)沉淀(dian)法(fa)等。

2、锆钛(tai)酸铅

锆钛酸(suan)铅(qian)是一(yi)种无机化合物，化学(xue)式为 Pb [ Zr_xTi_1−x] O₃ (0≤x≤1)。也称为钛(tai)酸锆铅(qian)，它(ta)(ta)是一种白色(se)至(zhi)灰白色(se)的陶瓷钙钛(tai)矿(kuang)材料，显示出(chu)显着的压电(dian)效应，这意味着该化合物在施加电(dian)场时会(hui)改变形状。它(ta)(ta)用于(yu)许多实际应用，例如超声(sheng)波(bo)换能(neng)器和压电(dian)谐振器。

钛(tai)酸(suan)(suan)(suan)铅锆最早于(yu) 1952 年(nian)左右在东京工(gong)业大学(xue)开发。与(yu)之(zhi)前发现(xian)的基于(yu)金属氧化(hua)物的压电材料钛(tai)酸(suan)(suan)(suan)钡相(xiang)比，钛(tai)酸(suan)(suan)(suan)铅具(ju)有更(geng)高(gao)的灵敏度和更(geng)高(gao)的工(gong)作温度。压电陶瓷因其物理强度、化(hua)学(xue)惰(duo)性和相(xiang)对较低的制造成本而被(bei)选择用(yong)于(yu)应用(yong)。锆钛(tai)酸(suan)(suan)(suan)铅的相(xiang)对介(jie)电常数可以在300到 20000的范(fan)围内，具(ju)体取决(jue)于(yu)取向和掺(chan)杂。

锆钛酸铅超声换能器

不过(guo)(guo)随着环(huan)境(jing)保(bao)护和(he)可持续发展(zhan)的需求增(zeng)长(zhang)，类似(si)的含铅(qian)压电(dian)陶瓷被认(ren)为制作(zuo)过(guo)(guo)程会对生态环(huan)境(jing)造成(cheng)污(wu)染。比(bi)如说2001年欧州(zhou)议会就已通(tong)过(guo)(guo)关(guan)于(yu)“关(guan)于(yu)在电(dian)子(zi)电(dian)气(qi)设备中禁(jin)止使用某些有害物(wu)质指令”的法(fa)令，要求投放欧盟市场(chang)的电(dian)器(qi)和(he)电(dian)子(zi)产品(pin)不得有铅(qian)、汞、镉、6 价铬(ge)、聚(ju)溴二苯醚和(he)聚(ju)溴联苯等有害物(wu)质。

3、锆酸锶(si)

锆酸锶(SrZrO₃)陶瓷具有钙钛矿型结构(gou)，主要原料为(wei)碳酸锶(si)、二(er)氧化锆，加入少量改性添加物(wu)，一般用于制造高频热稳定陶瓷电(dian)(dian)容器和高温陶瓷电(dian)(dian)容器。相(xiang)对介电(dian)(dian)常(chang)数28~30，介质损耗角(jiao)正切(qie)值4×10-6(0.5~5MC)，介电(dian)(dian)常(chang)数温度(du)系数为(wei)(15～25)×10^-6/℃，击穿强度为15~25kV/mm，体积电(dian)阻率(lv)大于(yu)1012Ω·cm。

锆酸(suan)锶粉体(ti)

锆酸盐(yan)瓷(ci)的主要优点是高(gao)温(wen)介电(dian)(dian)性能比(bi)含钛(tai)(tai)陶瓷(ci)高(gao)，含钛(tai)(tai)的金红石瓷(ci)、钛(tai)(tai)酸镁(mei)瓷(ci)等通(tong)常只能在(zai)85℃下工(gong)作。工(gong)作温(wen)度(du)太高(gao)且在(zai)直流电(dian)(dian)场作用下，含钛(tai)(tai)陶瓷(ci)容易发(fa)生电(dian)(dian)化(hua)学(xue)老化(hua)，即绝缘(yuan)电(dian)(dian)阻逐渐(jian)减(jian)小，介质损耗逐渐(jian)增大(da)，以致最后不能使(shi)用。锆酸盐(yan)瓷(ci)大(da)部(bu)分能工(gong)作在(zai)155℃甚至更高(gao)温(wen)度(du)下，而很少发(fa)生电(dian)(dian)化(hua)学(xue)老化(hua)。在(zai)锆酸盐(yan)化(hua)合物中，适宜于制(zhi)造高(gao)频电(dian)(dian)容器(qi)的材(cai)料只有锆酸钙和锆酸锶两种。

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