压电铁电材料的研究

压电铁电材料的研究

介绍了压电铁电材料，及其特点,探讨了压电铁电材料的制备方法。

标签：压电材料; 铁电材料

1 引言

压电材料最早由Jacques和Pierre Curie兄弟于1880年发现的，居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。绝大部分压电体来源于铁电体。一般认为，铁电性的研究始于1920年，是法国人Valasek 发现的铁电现象，他观察到罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O64H2O）的极化可以在施加外电场的情况下反向。1935-1938年，苏联的G. Busch和P. Schemer研制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)和磷酸二氢氨((NH4)H2PO4，简称ADP)，在四十年代得到了广泛应用，对压电铁电材料的发展起了很大的推动作用。目前，世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。

开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题。

2 压电铁电材料的特点

压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。压电材料按其化学组成和形态分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物及复合压电材料四

类。其中压电陶瓷系列品种众多，应用广泛。

压电效应是一种机电耦合效应，可将机械能转换为电能，这种效应称为正压电效应。反之，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于外电场的作用，会引起晶体内部正负电荷中心的位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变，称为逆压

电效应。这两种效应统称为压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。

在具有压电效应的材料中，具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向，或者在电场作用下不可反向但可以重取向的晶体称之为铁电体(ferroelectrics)。铁电体中的自发极化有两个或多个可能的取向。所有铁电体都可

以通过人工极化使其具有压电性，但具有压电性的并不一定都是铁电体。

3 压电铁电材料的制备方法

作为铁电材料，通常是以薄膜、陶瓷、微粉、单晶等物质形态来进行研究的。作为不同领域的不同应用，对于材料的制备的要求也不同。随着科学技术的进步和人们对于铁电材料性能要求的不断提高，对于铁电材料的制备技术也提出了新的要求。从传统的陶瓷材料到现在的薄膜和微粉便体现了这一过程。反过来，材

料制备技术的进步，也使得人们深入研究材料性质及其本质得以进行。

随着电子器件向小型化和集成化方向发展，铁电薄膜的制备和应用得以广泛研究，尤其在以铁电存贮器等为实际应用目标的研制开发方面人们做了大量的工作。铁电薄膜的主要制备方法有：（1）物理气相沉积法（PVD），包括溅射法、蒸发法、激光消融法；（2）化学气相沉积法（CVD），包括金属有机物CVD、等离子增强CVD、低压CVD；（3）化学液相沉积法，包括溶胶凝胶法（Sol-Gel）、有机金属化合物分解法（MOD）；（4）金属溶液沉积法，如液相晶体取向生长

（LPE）。

无铅压电铁电陶瓷制备过程主要包括陶瓷原料粉体的合成、成型、烧结、被电极和极化等几个主要过程，在这些过程中，伴随着一系列的物理和化学变化。压电陶瓷的性能与材料的组分和制备的工艺过程和工艺条件有直接的关系，所以

一整套稳定合理的工艺参数是获得优异材料性能的重要保证。

生产中广泛采用的压电陶瓷工艺，主要包括以下步骤：配料混合预烧粉

碎成型排胶烧结被电极极化测试，如图1所示。

(1)配料、球磨混合。

原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行修正计算，然后进行原料的称量。按化学配比配料以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，

震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。

(2) 预烧、粉碎、成型、排胶和烧结。

混合球磨后的原料进行预烧。预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。将预烧反应后的材料使

用行星式球磨机粉碎。

成型的方法主要有四种：轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3%左右。成型以后需要排胶。粘合剂的作用只是利于成型，但它是一种还原性强的物质，成型后应将

其排出以免影响烧结质量。

烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。晶粒尺寸是借

助于原子扩散来实现的。

(3) 被电极、极化、测量。

烧结后的样品要被电极，可选用的电极材料有银、铜、金、铂等，形成电极层的方法有真空蒸发、化学沉积等多种。压电陶瓷中广泛采用的是，在烧结后的样品涂上银浆，在空气中烧制电极。为了防止空气在高压下电离、击穿，极化一般是在硅油中进行。为了获得优良的压电性能，需要选择合适的电场强度，适当的极化温度。极化样品放置24小时后，用压电常数测量仪测量d33，用高频阻

抗分析仪（Agilent 4294A等）测量介电常数、介电损耗、谐振频率等。

4 展望

20世纪80年代以来，国外期刊中有关压电材料及其应用的文献呈逐年上升

趋势，这说明对压电材料及器件的基础理论研究和实验应用研究越来越受到学术和工程界的重视。到现在，压电学和铁电学的理论和实验已得到了不断的发展和完善，铁电材料是一类具有广阔发展前景的重要功能材料，对于其特性的研究与

应用还需要我们不断的研究与探索，并给予足够的重视。

参考文献

［1］张沛霖，钟维烈. 压电材料与器件物理［M］. 济南: 山东科学技术出版社, 1994.

［2］钟维烈. 铁电体物理学［M］. 北京: 科学出版社, 1996.

［3］方俊鑫，殷之文. 电介质物理学［M］. 北京: 科学出版社, 1998.