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換的功能無機非金屬材料。本文主要對無鉛壓電陶瓷的發展現狀做了簡要的介紹，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、織構化。無鉛壓電陶瓷的性能，經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；織構化

1 無鉛壓電陶瓷的發展現狀

按晶體結構，無鉛壓電陶瓷分為鉍層狀結構、鎢青銅結構、鈣鈦礦結構三個研究系列。

1.1 鉍層結構

鉍層結構由二維的(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合離子，B位是八面體配位離子或由其組成的復合離子，它們的化學通式用(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-表示，其中m取整數，與鈣鈦礦層(Am-1BmO3m+1)2-內的八面體層數相對應，取值范圍在1-5之間。

1.2 鎢青銅結構

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

1.3 鈣鈦礦結構

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

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，表明室溫下體系結構為立方對稱，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，多采用傳統的固相反應法、溶膠-凝膠法等制備出系列無鉛壓電陶瓷，得到性能優化的壓電和鐵電性能。BCZT材料的優異性能迅速引起各國學者的興趣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構，其密度隨Ca含量的增多而增大，電滯回線中Pr和Ec都很小，導致電滯回線非常“瘦”。介溫譜線表現出明顯的彌散相變，居里溫度隨Ca的增多略有減小。

2.3 織構化

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

3 結語

壓電陶瓷應用廣泛，是多種電子元器件產品原材料，具有較高的研究價值。而順應國際社會可持續發展的無鉛壓電陶瓷更是成為人們研究的焦點，有一定的經濟價值和社會意義。目前研究的無鉛壓電陶瓷主要有鈣鈦礦結構、含鉍層狀結構、鎢青銅結構三個系列。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、織構化等措施初步提高了無鉛壓電陶瓷的性能，經過進一步研究與改善，將來有望逐漸替代壓電陶瓷。

[1]曲遠方.現代陶瓷材料及技術[M].上海:華東理工大學出版社,2008,80-87.