淺談無鉛壓電陶瓷的應(yīng)用

曹峻瑀

摘 要：壓電陶瓷的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)材料相比，成本低廉，壓電性能理想，有著理想的化學(xué)穩(wěn)定性與電磁學(xué)性能，在通信、電子、冶金、航空、計(jì)算機(jī)、探測等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對無鉛壓電陶瓷的性能與應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無鉛壓電陶瓷；性能；應(yīng)用

壓電陶瓷是一種既可以將變力轉(zhuǎn)化為電能也可以將電能轉(zhuǎn)化為振動的新型的多功能材料。由于壓電陶瓷具有穩(wěn)定性強(qiáng)、物理性質(zhì)優(yōu)異和延展性好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物技術(shù)和信息等高新技術(shù)領(lǐng)域。但現(xiàn)在大多數(shù)的企業(yè)所用的壓電陶瓷基本都為鉛壓電陶瓷。此種壓電陶瓷在使用和處理的過程中都會對環(huán)境造成污染，因此，人們對無鉛壓電陶瓷進(jìn)行了深入的研究。本文筆者將簡要地談一談無鉛壓電陶瓷及其應(yīng)用。

一、無鉛壓電陶瓷的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

為了更好地響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，科研人員對無鉛壓電陶瓷的研究在不斷地深入。近年來，無鉛壓電陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用都有了很大的進(jìn)展。目前主要研究的無鉛壓電陶瓷有鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷、鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷、堿金屬鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷和鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷五種。下面將分別分析一下各無鉛壓電陶瓷材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用：

1）鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷在無鉛壓電陶瓷材料中是最早被發(fā)現(xiàn)的。因此，與其他無鉛壓電陶瓷的材料相比，對鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷的研究最為成熟。但是其可供工作的溫度范圍十分有限，壓電的性能也只是中等水平，所以其應(yīng)用領(lǐng)域也存在一定的限制。

2）鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷在室溫下呈現(xiàn)三方鐵的電相，且剩余極化強(qiáng)度很大。除此之外，其還具有介電常數(shù)小、燒結(jié)溫度低和聲學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)而被視為最具魅力的無鉛壓電陶瓷之一。因此，此類無鉛壓電陶瓷材料在高頻超聲換能器、高頻諧振器、超聲探測器和高頻傳感器等器件的生產(chǎn)中都有所應(yīng)用。

3）鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷由鈣鈦礦和正二價的二氧化硅相互交替的有規(guī)律地排列而成。此類無鉛壓電陶瓷的工作溫度范圍比較大，絕緣性和電阻率較高，老化率低。因此，鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷的應(yīng)用前景較廣泛。其中，根據(jù)其介電常數(shù)低的特點(diǎn)可以用來制作高頻高溫和超聲技術(shù)中的壓電材料；利用介電損耗低的特點(diǎn)可用于制作高頻窄帶濾波器。

4）堿金屬鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷由LiNb、NaNb和KNb三種材料構(gòu)成。此種材料的鐵電性比較強(qiáng)，很受重視，但是在高溫下極易揮發(fā)。如果用傳統(tǒng)的方法來生產(chǎn)此種陶瓷，陶瓷的致密性會受到影響，所以要在生產(chǎn)過程中采取一定的措施。

5）鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷中鎢青銅結(jié)構(gòu)化合物的自發(fā)極性大，且介電常數(shù)低，居里溫度高。除此之外，其光電性能和熱釋電性能極好，因此也越來越被重視。

雖然對無鉛壓電陶瓷材料的研究還不是很成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也不是很廣。但就其本身的性能來說，無鉛壓電陶瓷的可應(yīng)用水平已經(jīng)很高。而現(xiàn)在的問題就是如何在最短的時間內(nèi)將無鉛壓電陶瓷實(shí)際應(yīng)用到各領(lǐng)域的壓電器件中。所以，這就需要兩方的共同努力與合作。本筆者從多方面查閱相關(guān)的資料大概了解了一些企業(yè)，如東芝公司、日本村田公司和松下公司與一些國際化的電陶瓷企業(yè)在無鉛壓電陶瓷方面都做了大量的工作，在技術(shù)設(shè)備方面也進(jìn)行了研究。

二、無鉛壓電陶瓷的改進(jìn)建議

雖然無鉛壓電陶瓷的性能優(yōu)越，具有介電常數(shù)小、燒結(jié)溫度低和聲學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，但其綜合性能還需要進(jìn)一步地被優(yōu)化。為了進(jìn)一步提高無鉛壓電陶瓷的應(yīng)用水平，使其更廣泛地被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，筆者提出了一些關(guān)于改進(jìn)無鉛壓電陶瓷性能的措施和建議。

1）從資料中可知道無鉛壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)已超過百分之四十，但與傳統(tǒng)的鉛壓電陶瓷相比仍有一些差距。而且器件對壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)要求也比較高。所以在研究中要著重提高無鉛壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)。

2）無鉛壓電陶瓷的介電常數(shù)也需要進(jìn)一步的提升。高的介電常數(shù)可以使無鉛壓電陶瓷在電聲器件領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。

3）現(xiàn)有的無鉛壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)都比較低，但不同的器件對機(jī)械品質(zhì)因數(shù)值的要求有高有低。所以開發(fā)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高的無鉛壓電陶瓷可以進(jìn)一步擴(kuò)大無鉛壓電陶瓷的應(yīng)用范圍。

三、結(jié)語

隨著社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，人類的環(huán)保意識也在逐漸增強(qiáng)。因此，無鉛壓電陶瓷因其清潔的優(yōu)勢肯定會得到快速的發(fā)展。但與鉛壓電陶瓷相比，其性能還是存在一定的差距。所以，要進(jìn)一步地深入研究和開發(fā)無鉛壓電陶瓷的應(yīng)用價值，早日實(shí)現(xiàn)無鉛壓電陶瓷的廣泛應(yīng)用。

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