無鉛壓電陶瓷材料改性研究的現狀

郭 璐

（武漢職業技術學院機電工程學院 湖北 武漢 430074）

1 引言

壓電陶瓷是具有可以將機械能與電能相互轉換的壓電效應的一類電子陶瓷，在機械作用下發生極化，介質兩端表面出現符號相反的束縛電荷，出現正壓電效應；相反，如果在介質極化的方向施加電場，壓電陶瓷會在某一方向上產生機械形變。壓電陶瓷是非常重要的功能材料，已經被廣泛應用于國防軍事、航空航天、信息通訊、醫療設備、艦艇聲吶、高速列車、石油化工等各個領域[1]。

壓電陶瓷材料可分為鉛基壓電陶瓷和無鉛壓電陶瓷，鉛基壓電陶瓷的材料體系主要有鋯鈦酸鉛（PZT）基陶瓷，無鉛壓電陶瓷的材料體系主要有鈮酸鈉鉀（KNN）基陶瓷、鈦酸鋇（BT）基陶瓷、鈦酸鉍鈉（BNT）基陶瓷、鉍層狀陶瓷以及鎢青銅結構陶瓷[2]。無鉛壓電陶瓷環境協調性好、污染少，是壓電材料研究的熱門方向，但其表現出來的壓電性能還不能達到或超過含鉛陶瓷。為此，科研工作者針對無鉛壓電陶瓷改性做了大量研究工作，以下將從三個方面介紹無鉛壓電陶瓷改性研究的現狀。

2 摻雜改性

大多數壓電陶瓷的結構為ABO3型，通過摻雜取代A、B位或A/B位同時取代，可以提高電學性能。另外，由于陶瓷晶粒在準同型相界附近具有更多偏轉方向，陶瓷更容易被極化。通過摻雜可以將壓電陶瓷準同型相界由高溫區移至室溫附近，從而提升室溫下陶瓷的壓電性能。

鈦酸鉍鈉陶瓷Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）具有剩余極化強、壓電性能好等優點，備受無鉛壓電陶瓷研究者的關注。然而，其居里溫度高，極化困難。學者用Ba2+對BNT進行A位置換，制備了BNBT系壓電陶瓷，使BNT極化不再困難，獲得性能優異的新體系。劉宵[3]等采取Bi、Co的A/B位雙取代鈦酸鉍鈉基壓電陶瓷，研究A/B位缺陷對電滯回線和電致應變的影響，結果表明摻雜量的增加使鐵電弛豫相轉變溫度降低，應變增加。

3 引入不同組分，形成多元體系

研究者在BNT中引入BaTiO3，形成性能較好的BNT-BT二元體系，通過對BNT-BT第二組元進行B位復合離子置換，制備了改性的BNT-BT系列陶瓷。楊博琛[4]等在此基礎上，以Al、Sb等元素對BaTiO3進行B位復合置換，將獲得的第二組元Ba(Al0.5Sb0.5)O3與BNT復合，并研究了Ba(Al0.5Sb0.5)O3的添加量對BNT陶瓷的介電、壓電等性能的影響。對于鈮酸鈉鉀（KNN）陶瓷體系，由于其較高的居里溫度和優異的壓電性能，最有可能取代鉛基壓電陶瓷，研究結果也表明通過引入組分，構建多相共存體系對KNN壓電性能提高最為明顯。趙林[5]等探討了Bi0.45Nd0.05(Na0.92-Li0.08)0.5ZrO3（BNNLZ）對KNN基陶瓷相結構和性能影響。結果表明BNNLZ的加入使陶瓷中形成三方-四方共存相，當添加量為0.06時，陶瓷體系具有最佳壓電性能。為了獲得更優良的電學性能，科研工作者在形成的多元體系基礎上再進行摻雜改性。

4 織構化

通過摻雜改性提高陶瓷的壓電性能有限，織構化是能大幅提高陶瓷材料性能的有效途徑。織構化是指通過一定的微結構調控制備工藝，使陶瓷材料中各向異性的晶粒沿著某些特定方向進行規則排列，擇優生長，改變材料微觀結構，從而使材料必要的性能在特定方向上得到提升。Zhang[6]等用BNT模板對0.91(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-0.03AgNbO3陶瓷進行織構，在相對較低的電場下(50kV/cm)獲得了高達766pm/V的d33*值，相比同組分隨機取向陶瓷提升了78%。

5 結語

隨著時代的發展，極端的環境和使用精度都對壓電陶瓷的性能提出更高要求，改性研究成為科研工作者熱衷的課題。對壓電陶瓷改性研究包括三個方面：（1）對陶瓷體系進行摻雜改性；（2）通過引入一種或多種組分，是陶瓷材料形成多元固溶體，也有科研工作者在引入組元的同時又進行了摻雜改性；（3）制備工藝的優化，改變陶瓷晶粒的相結構或者改善材料的顯微結構，從而使其電性能提升。為進一步滿足電子元器件更嚴苛的要求，今后壓電陶瓷材料的發展方向為：（1）無鉛化與環境協調性；（2）小型化與微型化；（3）集成化與模塊化。