郭 璐

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 湖北 武漢 430074）

1 引言

壓電陶瓷是具有可以將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的壓電效應(yīng)的一類電子陶瓷，在機(jī)械作用下發(fā)生極化，介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，出現(xiàn)正壓電效應(yīng)；相反，如果在介質(zhì)極化的方向施加電場，壓電陶瓷會(huì)在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械形變。壓電陶瓷是非常重要的功能材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國防軍事、航空航天、信息通訊、醫(yī)療設(shè)備、艦艇聲吶、高速列車、石油化工等各個(gè)領(lǐng)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(jié)構(gòu)陶瓷[2]。無鉛壓電陶瓷環(huán)境協(xié)調(diào)性好、污染少，是壓電材料研究的熱門方向，但其表現(xiàn)出來的壓電性能還不能達(dá)到或超過含鉛陶瓷。為此，科研工作者針對(duì)無鉛壓電陶瓷改性做了大量研究工作，以下將從三個(gè)方面介紹無鉛壓電陶瓷改性研究的現(xiàn)狀。

2 摻雜改性

大多數(shù)壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)為ABO3型，通過摻雜取代A、B位或A/B位同時(shí)取代，可以提高電學(xué)性能。另外，由于陶瓷晶粒在準(zhǔn)同型相界附近具有更多偏轉(zhuǎn)方向，陶瓷更容易被極化。通過摻雜可以將壓電陶瓷準(zhǔn)同型相界由高溫區(qū)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(qiáng)、壓電性能好等優(yōu)點(diǎn)，備受無鉛壓電陶瓷研究者的關(guān)注。然而，其居里溫度高，極化困難。學(xué)者用Ba2+對(duì)BNT進(jìn)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(yōu)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(duì)電滯回線和電致應(yīng)變的影響，結(jié)果表明摻雜量的增加使鐵電弛豫相轉(zhuǎn)變溫度降低，應(yīng)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(duì)BNT-BT第二組元進(jìn)行B位復(fù)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(chǔ)上，以Al、Sb等元素對(duì)BaTiO3進(jìn)行B位復(fù)合置換，將獲得的第二組元Ba(Al0.5Sb0.5)O3與BNT復(fù)合，并研究了Ba(Al0.5Sb0.5)O3的添加量對(duì)BNT陶瓷的介電、壓電等性能的影響。對(duì)于鈮酸鈉鉀（KNN）陶瓷體系，由于其較高的居里溫度和優(yōu)異的壓電性能，最有可能取代鉛基壓電陶瓷，研究結(jié)果也表明通過引入組分，構(gòu)建多相共存體系對(duì)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(duì)KNN基陶瓷相結(jié)構(gòu)和性能影響。結(jié)果表明BNNLZ的加入使陶瓷中形成三方-四方共存相，當(dāng)添加量為0.06時(shí)，陶瓷體系具有最佳壓電性能。為了獲得更優(yōu)良的電學(xué)性能，科研工作者在形成的多元體系基礎(chǔ)上再進(jìn)行摻雜改性。

4 織構(gòu)化

通過摻雜改性提高陶瓷的壓電性能有限，織構(gòu)化是能大幅提高陶瓷材料性能的有效途徑?？棙?gòu)化是指通過一定的微結(jié)構(gòu)調(diào)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(jìn)行規(guī)則排列，擇優(yōu)生長，改變材料微觀結(jié)構(gòu)，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(duì)0.91(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-0.03AgNbO3陶瓷進(jìn)行織構(gòu)，在相對(duì)較低的電場下(50kV/cm)獲得了高達(dá)766pm/V的d33*值，相比同組分隨機(jī)取向陶瓷提升了78%。

5 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，極端的環(huán)境和使用精度都對(duì)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(duì)壓電陶瓷改性研究包括三個(gè)方面：（1）對(duì)陶瓷體系進(jìn)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(shí)又進(jìn)行了摻雜改性；（3）制備工藝的優(yōu)化，改變陶瓷晶粒的相結(jié)構(gòu)或者改善材料的顯微結(jié)構(gòu)，從而使其電性能提升。為進(jìn)一步滿足電子元器件更嚴(yán)苛的要求，今后壓電陶瓷材料的發(fā)展方向?yàn)椋海?）無鉛化與環(huán)境協(xié)調(diào)性；（2）小型化與微型化；（3）集成化與模塊化。