無鉛壓電陶瓷材料研究進展

曲莉莉

（1．蘭州大成科技股份有限公司，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州大成真空科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

無鉛壓電陶瓷材料研究進展

曲莉莉1，2

（1．蘭州大成科技股份有限公司，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州大成真空科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

壓電陶瓷是一種將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能無機非金屬材料。本文主要對無鉛壓電陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡要的介紹，并闡述了三種無鉛壓電陶瓷的改性研究，分別為摻雜改性、固溶改性、織構(gòu)化。無鉛壓電陶瓷的性能，經(jīng)過進一步研究與改善，將來有望逐漸替代壓電陶瓷。

摻雜；固溶改性；織構(gòu)化

1 無鉛壓電陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀

按晶體結(jié)構(gòu)，無鉛壓電陶瓷分為鉍層狀結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)三個研究系列。

1.1 鉍層結(jié)構(gòu)

鉍層結(jié)構(gòu)由二維的(Bi2O2)2+層與[BO6]八面體交替排列而成，A位是適合于12配位的+1、+2、+3、+4價離子或由其組成的復(fù)合離子，B位是八面體配位離子或由其組成的復(fù)合離子，它們的化學(xué)通式用(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-表示，其中m取整數(shù)，與鈣鈦礦層(Am-1BmO3m+1)2-內(nèi)的八面體層數(shù)相對應(yīng)，取值范圍在1-5之間。

1.2 鎢青銅結(jié)構(gòu)

鎢青銅化合物是由共頂點的[BO6]式氧八面體堆垛而成，結(jié)構(gòu)通式為(A1)2(A2)4(C)4(B1)2(B2)8O30。通常，鎢青銅化合物的自發(fā)極化較大、居里溫度較高、介電常數(shù)較低，其成分與構(gòu)造對它的鐵電性能有重要影響。

1.3 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷相具有相對較高的壓電常數(shù)。這是由于ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中B離子易于偏離八面體的體心位置，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上是有利于顯示鐵電性的晶體結(jié)構(gòu)。

對壓電陶瓷進行摻雜有效的改善了壓電性能

2 無鉛壓電陶瓷的改性研究

人們通過摻雜改性、固溶改性、織構(gòu)化來提高無鉛壓電陶瓷的性能，期望得到性能與鉛基壓電陶瓷相比擬環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷，下面對這幾種主要的方面做以簡單的介紹。

2.1 摻雜改性

在無鉛壓電陶瓷中摻入少量的金屬或稀土元素，以改善電學(xué)性能。以鋯鈦酸鋇體系為例，為了提高BZT體系陶瓷的介電非線性和溫度穩(wěn)定性，降低介電損耗，研究人員進行了BZT陶瓷的摻雜改性研究。根據(jù)摻雜位置劃分為分兩大類：A位摻雜和B位摻雜。稀土元素(如La、Sm、Eu、Dy、Y、Ce)和Ca、Zn、Pb、Bi等元素進行A位摻雜；Nb、Mg、Mn等元素進行B位摻雜元素。S.K.Rout等研究了 Ba1?xMgxTi0.6Zr0.4O3(x=0.0，0.07，0.14)體系，表明室溫下體系結(jié)構(gòu)為立方對稱，Mg的加入降低了晶粒尺寸，并使其弛豫性明顯增加。

2.2 固溶改性

借鑒鉛基壓電陶瓷的改性研究思路，多采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法等制備出系列無鉛壓電陶瓷，得到性能優(yōu)化的壓電和鐵電性能。BCZT材料的優(yōu)異性能迅速引起各國學(xué)者的興趣Venkata Sreenivas等使用溶膠凝膠法制備得到不同含量的(Ba0.7Ca0.3)TiO3與Ba(Zr0.2Ti0.8)O3的固溶體[Ba(Zr0.2Ti0.8)O3]1-x[(Ba0.7Ca0.3)TiO3]x(x=0.10，0.15，0.20)。制得陶瓷呈單相四方結(jié)構(gòu)，其密度隨Ca含量的增多而增大，電滯回線中Pr和Ec都很小，導(dǎo)致電滯回線非?！笆荨薄＝闇刈V線表現(xiàn)出明顯的彌散相變，居里溫度隨Ca的增多略有減小。

2.3 織構(gòu)化

織構(gòu)陶瓷的性能要比傳統(tǒng)多晶陶瓷好得多，甚至可以與單晶相比擬，而在制備過程中，織構(gòu)陶瓷比單晶具有一系列優(yōu)勢，如制備時間短、成本低等。因此無鉛壓電陶瓷的織構(gòu)化是提高性能的一個重要的方法。

3 結(jié)語

壓電陶瓷應(yīng)用廣泛，是多種電子元器件產(chǎn)品原材料，具有較高的研究價值。而順應(yīng)國際社會可持續(xù)發(fā)展的無鉛壓電陶瓷更是成為人們研究的焦點，有一定的經(jīng)濟價值和社會意義。目前研究的無鉛壓電陶瓷主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、含鉍層狀結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)三個系列。這幾類陶瓷的壓電特性目前普遍不及鉛基壓電陶瓷，但是人們通過摻雜改性、固溶改性、織構(gòu)化等措施初步提高了無鉛壓電陶瓷的性能，經(jīng)過進一步研究與改善，將來有望逐漸替代壓電陶瓷。

[1]曲遠(yuǎn)方.現(xiàn)代陶瓷材料及技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2008,80-87.