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1、無鉛壓電陶瓷1主要內容無鉛壓電陶瓷簡介1無鉛壓電陶瓷主要體系2無鉛壓電陶瓷的制備3無鉛壓電陶瓷的應用前景421無鉛壓電陶瓷簡介1.1無鉛壓電陶瓷某些各向異性的晶體，在外力作用下產生變形，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現束縛電荷，這種現象稱為壓電效應。某些介質在受到機械壓力時，會產生壓縮或伸長等形狀變化，引起介質表面帶電，這是正壓電效應；反之，施加激勵電場，介質產生機械變形，稱為逆壓電效應；晶體的這種性質稱為壓電性。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。無鉛壓電陶瓷的直接含義就是不含鉛的壓電陶瓷。機械能電能正壓電效應逆壓電效應31.2發(fā)展無鉛壓電陶
2、瓷的原因傳統(tǒng)壓電陶瓷—PZT無鉛壓電陶瓷優(yōu)點：具有優(yōu)越的壓電性能，居里溫度高，機電耦合系數及機械品質因數大，溫度穩(wěn)定性和耐久性好，且形狀可以任意選擇，便于大量生產。缺點：燒結溫度一般在1200℃以上，PbO容易揮發(fā)，經常使得PZT陶瓷的化學計量比發(fā)生偏差，性能難以穩(wěn)定控制，而且對環(huán)境造成污染，危害人體健康。深層含義是指既具有滿意的使用性能又有良好的環(huán)境協(xié)調性的壓電陶瓷，它要求材料體系本身不含有可能對生態(tài)環(huán)境造成損害的物質，在制備、使用及廢棄后處理過程中不產生可能對環(huán)境有害的物質，且材料的制備工藝具有耗能少等環(huán)境協(xié)調性特征。取代含鉛壓電陶瓷器件將是一件
3、具有重要科學意義和巨大社會效益的事。41.3無鉛壓電陶瓷的發(fā)展歷史20世紀80年代20世紀60年代20世紀90年代最近幾年研究了以鈮酸鹽和鈦酸鹽為主的具有鈦酸鈣礦結構的無鉛壓電陶瓷。具有鈣鈦礦結構的堿金屬鈮酸鹽陶瓷體系和鈦酸鉍鈉陶瓷體系是人們關注的熱點。無鉛壓電的研究體系集中在鈮系壓電陶瓷及鉍層狀結構化合物。主要的無鉛壓電陶瓷體系有鈦酸鋇、鈦酸鉍鈉、鉍層結構及鈮酸鹽基壓電陶瓷。52無鉛壓電陶瓷的主要體系鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷ABNT基無鉛壓電陶瓷B鉍層狀結構壓電陶瓷C鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷D62.1鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷酸鋇基無鉛壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO
4、3）是最早發(fā)現有壓電性的陶瓷，屬于ABO3型鈣鈦礦結構（如圖1所示）。BaTiO3的居里點tC＝120℃，在室溫時，它有很強的壓電鐵電性，表現出較強的沿c軸自發(fā)極化的鐵電性，當溫度高于120℃時，BaTiO3晶體屬于立方晶系，壓電鐵電性能消失。在鈦酸鉛系壓電陶瓷出現以前一直以其較強的壓電性和易于制造等優(yōu)點在壓電陶瓷中占主導地位。7鈦酸鋇陶瓷存在以下不足123居里點不高，工作溫度范圍狹窄，在室溫附近（即在工作溫區(qū)）存在著相變，使用不方便，不能用于大功率的換能器。鈦酸鋇陶瓷的壓電性能與含鉛系列陶瓷相比，還有一定的差距，難以通過摻雜改性大幅度改善其性能，以
5、滿足不同的需要。需要高溫燒結（1300～1350°C），且燒結存在一定難度，所以它目前并不能替代PZT陶瓷在壓電鐵電性能方面廣泛應用，而是主要用作電容器材料及PTC材料等方面。8BaTiO3(BT)基無鉛壓電材料體系主要有：1）(1–x)BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等；B=Zr、Sn、Hf、Ce等）；2）(1–x)BaTiO3-xA1B1O3（A1=K、Na等；B1=Nb，Ta等）；3）(1–x)BaTiO3-xA20.5NbO3（A2=Ca、Sr、Ba等）。比較令人注目的是以Zr取代Ti且添加金屬氧化物形成的Ba(Ti1–yZry)O3
6、(BZT)體系，其壓電性能佳(壓電常數d33>300pC/N，機電耦合系數k33最高可達到65％)，工作溫區(qū)較改性前有所拓寬(–30～＋80°C)。9BNT基無鉛壓電陶瓷2.2BNT基無鉛壓電陶瓷鈦酸鉍鈉(Na1/2Bi1/2)TiO3，簡寫為BNT基的壓電陶瓷。BNT于1960年被Smolensky發(fā)現，是一種A位復合取代的鈣鈦礦型鐵電體。它在200°C以下為鐵電三方相，居里點為320℃，320℃以上以順電相存在。優(yōu)點：機電耦合系數各向異性較大（kt約50％，kp約13％），用作厚度振動的振子，容易除去不必要的振動；居里溫度較高（320℃）；相對介
7、電常數較?。?40～340）；熱釋電性能與BaTiO3和PZT相當；聲學性能好（Np＝3200Hz·m），在超聲方面應用較PZT優(yōu)越；而且燒結溫度低，一般在1200°C以下。10缺點：BNT的矯頑場高(Ec=73kV／cm)，在鐵電相區(qū)的電導率高，因而很難極化。加之NaO易吸潮，陶瓷的燒結溫度范圍窄，導致體系的化學性能穩(wěn)定性較鉛基陶瓷差。因此，單純的BNT陶瓷難以實用化。研究表明，在BNT基礎上進行摻雜改性形成具有鐵電性的系列固溶體，能夠在一定程度上克服BNT的這些缺點，并能提高其壓電性能，從而獲得具有一定實用價值的壓電陶瓷材料。11主要改進體系有：
8、（1）(1–x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-xBaTiO3ＢＮＴ－ＢＴ體系（2）（1–x）(Na1/2
