国内外压电陶瓷的新进展及新应用_李晓娟
压电陶瓷的生产工艺技术与应用
压电陶瓷的生产工艺技术与应用摘要：压电陶瓷的发现已经有四十年多年的历史，国内外的研究者在其生产工艺技术的探索上已经做了不少研究。
研究者针对压电陶瓷传统工艺流程中的某些环节进行改进，研究出压电陶瓷的一些特殊生产工艺技术，使其在一些特定范围内更好地发挥作用。
因此，本文将从压电陶瓷的一般工艺展开，引出到目前为止，压电陶瓷的一些其他生产工艺技术，并系统地介绍了压电陶瓷在生产生活中的应用。
关键词：压电陶瓷；生产工艺技术；改进；应用Production technology and applications of piezoelectric ceramics Abstract: The discovery of piezoelectric ceramics have been over forty years in history, the researchers at home and abroad have done a lot of research to explore the production technology of piezoelectric ceramics. The researchers have improved some links of the piezoelectric ceramics' traditional process and come up with some special production technology of piezoelectric ceramics, which have made piezoelectric ceramics wok better in some particular range. Therefore, this paper will launch the piezoelectric ceramics' production technology from general process to, so far, some of the other piezoelectric ceramics' production technology, and introduce the applications of piezoelectric ceramics systematically.Key Words: piezoelectric ceramics；production technology；improve；applications1. 前言1.1 压电陶瓷的研究背景[1]-[8-10]1880年，居里兄弟首先在单晶发现压电效应，这是压电学建立和发展的起点。
无铅压电陶瓷的研究进展
无铅压电陶瓷的研究进展罗帆材料学院材控0811班U2008xxxxx摘要：本文概述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料的研究现状, 介绍了钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系以及钨青铜结构无铅压电陶瓷体系的研究进展, 并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。
关键词：无铅压电陶瓷，钛酸钡基，钛酸铋钠基，铋层状结构，碱金属铋酸盐，钨青铜结构正文：压电陶瓷是重要的高科技功能材料，它被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等领域。
但是，由于目前使用的压电陶瓷大多都是含铅的，如最常用的以Pb（Ti，Zr)O(PTZ)为基的多元系陶瓷，3其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%左右。
PbO有毒，在烧结温度下易挥发，不仅危害人体，而且会使其化学计量式偏离其计算配方，进而使产品一致性和重复性降低, 导致陶瓷性能下降。
因此，无铅基压电陶瓷将显示其良好的环境友好性而被越来越多的研究和应用。
到目前为止，无铅压电陶瓷体系主要有五大类：①钛酸钡(BaTiO) 基无铅压电陶瓷; ②钛酸铋钠基无铅压电陶瓷; ③铋层状结3构无铅压电陶瓷; ④碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷; ⑤钨青铜结构无铅压电陶瓷。
由于各类材料的结构和功能各不相同，下面将分别予以介绍。
钛酸钡基无铅压电陶瓷Ba TiO（BT）是最早发现的无铅压电材料，对它的研究已相当3成熟，最初用于压电振子材料。
其居里温度较低, 工作温度范围较窄, 压电性能属于中等水平, 难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能,且在室温附近存在相变, 所以其在压电方面的应用受到限制。
近年来，通过对钛酸钡的位置取代和掺杂改性，钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究体系主要包括：(1) (1-x) BaTiO-xAB3O(A=Ba、Ca 等; B=Zr、Sn、Hf、Ce等);3(2) (1-x) BaTiO-xA′B′3O(A′=K、Na 等; B′=Nb、Ta 等) ;3(3) (1-x) BaTiO-xA0.5〞Nb3O(A〞= Ba、Ca、Sr 等)。
压电陶瓷的市场应用
压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。
这是一种具有压电效应的材料。
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号；它在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一；频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，在多路通信设备中能提高抗干扰性等。
工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。
下面主要介绍一下压电陶瓷在市场中的广泛应用：1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。
像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。
如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。
压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。
例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。
2、压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。
然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。
反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。
这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。
3、压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。
只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。
所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。
4、防核护目镜核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s 里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。
压电陶瓷发展前景及应用
压电陶瓷的概念及发展应用摘要：压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。
近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长，据资料统计，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。
本文主要介绍压电陶瓷的概念和应用范畴、应用实例、前景，带领大家了解陶瓷家族中的一员----压电陶瓷。
关键词：陶瓷压电陶瓷压电效应应用范畴应用实例一、基本概念压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、和电能互相转换的功能陶瓷材料，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。
二、压电陶瓷的应用范畴利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。
用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。
用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。
压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。
利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。
1、在军事上，在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。
它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。
在这种声纳系统中，有一双明亮的"眼睛"--压电陶瓷水声换能器。
当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。
压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势_李环亭
现 代技术 陶瓷
的驱动力 , 更好的压电性能 。 P Z T 压电厚膜材料 已被广泛地应用于制造微型机械泵 、 厚膜微致动 器 、高频声纳换能器 、压力传感器 、微机械谐振 器 、压电加速度转换器 、 新型超声复合换能器 、 弹性波传感器 、 光纤调制器 、压电多层致动器 、 微 电子机械系统 ( M E M S ) 器件等
价值的压电陶瓷 , 这是压电材料的一个飞跃 。 1955 年 J a f f e 等在系统地研究各种钙钛矿型 化合物固 溶体 性能 和结 构 的基 础上 , 发 现 P Z T ( 锆钛酸铅 ) 压电陶瓷在因成分变化引起的所谓 准同型相界或同质异晶相变成分 ( X= 0. 52 ) 附 近 , 四方相和三角相共存 , 相变激活能低 , 只要在 微弱电场的诱导下 , 就能发 生晶相结构的 转变 , 极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数 , 压电常数是 B a T i O 3的两倍 , 且其各方面的性能比 B a T i O 3陶瓷好得多 , 具有 耦合系数 大 、压电 性更 强、 居里温度高和可通过变更成分在很大范围内 调节性能以满足多种不同需要等优点 。 因此 , P Z T 压电陶 瓷一经出现就 得到各国研究者 的重 视 , 并迅速在电子 、光 、热 、声等领域得 到广泛的 应用 。 1965 年松下电器公司的研究人员在 P Z T 的 组成中加入 P b ( M g b O 铌镁酸铅 ) , 试制 1/ 3 N 2/3 ) 3( 成功了三元系压电陶瓷 , 取 名为 P C M 。 此后 ,
2009年第 2 期 ( 总第 120期 )
碍了极化 , 使 Q m提高 。 当掺杂量超过一定量时 , M n 除了进入晶格之 外 , 多余的部分聚 集在晶界 处 , 阻碍了晶粒的生长 , 降低了晶粒分 布均匀性 和晶粒强度 , Q 相对降低 。 m
压电陶瓷发展前景及应用
压电陶瓷发展前景及应用压电陶瓷是一类具有压电效应的陶瓷材料，具有机械压力或电场作用下产生电荷分布的能力。
它具有优异的压电性能，可以用于传感、驱动和控制等领域，因此在科学研究和工业生产中有着广泛的应用前景。
压电陶瓷的发展前景十分广阔。
首先，随着科学技术的不断进步和需求的不断增长，对于高性能压电材料的需求也在不断增加。
压电陶瓷作为一种应用广泛、性能优越的压电材料，能够满足高精度、高灵敏度等要求，因此在未来的发展中，将会得到更多的研究和开发。
其次，随着信息技术的快速发展，压电陶瓷作为传感器和驱动器的重要组成部分，将在电子设备、通信设备以及高科技领域中扮演更加重要的角色。
再者，随着工业自动化程度的不断提高，对于快速响应、高效驱动的需要也在不断增加，而压电陶瓷正是满足这些需求的理想选择，因此在自动化控制领域的应用前景也是十分广阔的。
压电陶瓷的应用也非常广泛。
首先，压电陶瓷可用于传感领域。
压电传感器是一种将力、形变、压力等物理量转化为电信号的装置，广泛应用于机械、航空航天、化工、生物医疗等领域。
其次，压电陶瓷可用于驱动器领域。
压电陶瓷作为驱动装置可以将电能转化为机械能，并以极高的速率进行物体的振动、运动等。
因此，在精密定位、超声成像、机器人等领域有着重要的应用价值。
再者，压电陶瓷可用于控制领域。
通过利用压电效应，可以实现对电场、声场、机械场等的精确控制，从而用于实现频率调谐、机械振动的控制和调节等。
除此之外，压电陶瓷还可以应用于能量收集和转化领域。
现代社会对于清洁能源的需求日益增加，而压电陶瓷可以将机械能转化为电能，因此可以用于能量的收集和转化。
压电陶瓷的应用能够将机械振动、声波、气流等能量转化为电能，用于无线传输、电池充电等应用领域。
总结起来，压电陶瓷具有广阔的应用前景，可在传感、驱动、控制以及能量收集和转化等领域发挥重要作用。
随着科技的进步和需求的增长，压电陶瓷的研究与应用将会得到更多的关注和发展，为社会的进步和发展做出更大的贡献。
新型压电陶瓷的研制
新型压电陶瓷的研制压电陶瓷是一种能够产生压电效应的陶瓷材料，通过施加外力或者电压，可以使其产生电荷分离而产生电压，同时也可以通过外界施加的电场或者电压来引起材料产生形变。
由于其优良的压电性能，压电陶瓷被广泛应用于传感器、换能器、声波滤波器、压电陶瓷超声波换能器等领域。
随着科学技术的不断进步，人们对压电陶瓷材料的性能和应用需求也在不断提高。
传统的压电陶瓷材料受制于材料本身的结构和成分，往往存在着一些不足之处，例如压电性能不高、耐磨性差、抗弯强度低等问题。
研制新型的压电陶瓷材料，提高其性能和应用范围，已成为当前压电陶瓷研究的重要方向之一。
近年来，我国在新型压电陶瓷材料的研制方面取得了一些重要进展。
新型压电陶瓷材料主要包括钛酸锆钠铅陶瓷、钛酸钡铅陶瓷、硅酸盐钛酸钡铅陶瓷等。
这些新型压电陶瓷材料在压电性能、机械性能和耐磨性方面都有了一定的提升，具有很大的应用潜力。
钛酸锆钠铅陶瓷是一种具有优良压电性能的新型压电陶瓷材料。
它具有极高的压电常数和优良的机械性能，可以作为压电传感器、换能器等领域的理想材料。
目前，该材料已经在一些领域得到了广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
除了压电性能，新型压电陶瓷材料还要求具有优良的机械性能和耐磨性。
传统的压电陶瓷材料在机械性能和耐磨性方面存在一定的不足，制约了其在一些领域的应用。
研制新型的压电陶瓷材料需要在保持优良压电性能的进一步提高其机械性能和耐磨性。
针对这一需求，研究人员采用了一系列新的制备工艺和改性方法。
通过改变材料的成分和结构，优化烧结工艺和热处理工艺，不断提高材料的密实度和结晶度，从而提升材料的机械性能和耐磨性。
研究人员还采用了一些新的改性方法，如添加一定量的纳米颗粒或者纳米纤维，引入纳米复合材料技术，优化材料的微观结构，从而提高材料的耐磨性和抗弯强度。
为了提高材料的稳定性和可靠性，研究人员采用了一些新的改良方法。
通过优化材料的组成和结构，降低材料内部的应力集中和裂纹扩展，改进材料的热稳定性和耐热性，提高材料在复杂环境下的工作稳定性。
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。
本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。
关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅前言压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。
目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。
压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。
并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。
1、压电陶瓷的基本原理及概念压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。
当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。
但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。
对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。
在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。
纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。
由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。
压电陶瓷应用研究进展
引言压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料 ,它具有压电效应。
所谓压电效应是指由应力诱导出极化 (或电场 ) ,或由电场诱导出应力 (或应变 )的现象 ,前者为正压电效应 ,后者为负压电效应 ,两者统称为压电效应。
目前为止 ,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域 ,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。
可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。
随着新工艺和新材料的出现 ,压电陶瓷应用日新月异 ,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。
2压电陶瓷的广泛应用压电陶瓷的应用十分广泛。
大体说来 ,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。
2 1压电陶瓷频率控制器件压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等 ,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。
压电陶瓷片 (压电振子 )在外加交变电压作用下 ,会产生一定频率的机械振动。
在一般情况下这种振动的振幅很小 ,但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时会引起共振 ,振幅大大增加。
这时 ,交变电场通过逆压电效应产生应变 ,而应变又通过正压电效应产生电流 ,电能和机.免费能源--压电陶瓷的新用途。
压电陶瓷4000千瓦压电能量回收系统在以色列的高速公路（一公里能发出的电力是400千瓦电能。
)压电陶瓷是我们常见的“免费能源”比如，你身上的打火机。
你家煤气炉子的打火器。
还有压电陶瓷扬声器。
但是有没有人想过：用她来建一座发电厂呢？以色人就想到这点。
并且…建成‟--以汽车驶过。
路基受压。
的压电陶瓷公路。
这种压力是不必付款的免费能源。
只要初期投资。
以后将不必要任何"能源"的再投入。
而且永远免费。
路面下埋藏着…压电陶瓷的高速公路。
1立交桥更是非常棒的发电厂。
原则产生电已经应用于设备被放置在其振动沥青路面。
转换成电力,以色列的工程师希望收获的能量从过往车辆。
他们的精力充沛的数字是看点。
发包人哈伊姆阿布拉莫维奇从理工(以色列海法的理工学院)说该系统能生产400千瓦从1公里长的伸展,在一条四车道的公路系统。
压电陶瓷国外发展现状
压电陶瓷国外发展现状压电陶瓷（Piezoceramics）是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有压力或电压被施加时产生变形或电势的特性。
压电陶瓷由于其独特的物理特性在智能材料领域具有广泛的应用前景。
以下是压电陶瓷在国外的发展现状。
压电陶瓷在国外已经取得了显著的进展。
目前，主要的压电陶瓷研究和应用机构集中在欧美，如美国、德国、英国和日本等国家。
这些国家在压电陶瓷的研究、开发和应用方面都有丰富的经验和技术优势。
在科研领域，国外一些大学和研究机构在压电陶瓷的基础研究和应用研究方面取得了很多突破。
研究人员不断探索新的材料组合和制备工艺，提高了压电陶瓷的性能，如压电系数的提高、热稳定性的改善和可设定的压电陶瓷纤维等。
在应用方面，压电陶瓷在声波器件、传感器、驱动器件等领域得到了广泛应用。
例如，压电陶瓷常被用于制造传感器，用于测量和控制应力、压力、温度、加速度等物理量。
此外，压电陶瓷还广泛应用于超声波设备、振动器、陶瓷变压器、压电陶瓷驱动器等领域。
其中，压电陶瓷超声波器件在医疗、清洗和通信等领域具有广阔的市场应用前景。
另外，压电陶瓷在能源领域也有广泛应用。
例如，压电陶瓷可以用来收集机械振动能量，并转换为电能，用于供电或储能。
这种能量收集技术已经被应用在一些无线传感器网络、自动监测系统和自供能器件等领域。
总的来说，国外在压电陶瓷的研究、开发和应用方面取得了显著的成果。
不仅在基础研究方面有了很多突破，而且在应用领域也有广泛的应用。
虽然国内在压电陶瓷方面的研究还相对较为滞后，但国内研究者也在不断努力，希望在压电陶瓷的研究和应用方面能够取得更大的进展。
在未来，随着智能科技和物联网的快速发展，压电陶瓷的应用前景将更加广阔。
国内的相关科研机构和企业应该加大研发力度，提高压电陶瓷的研究水平和应用技术，以促进中国智能材料产业的发展。
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。
本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。
关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅前言压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。
目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。
压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。
并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。
1、压电陶瓷的基本原理及概念压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。
当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。
但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。
对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。
在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。
纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。
由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。
无铅压电陶瓷的研究与应用进展
无铅压电陶瓷的研究与应用进展一、本文概述随着科技的进步和社会的发展，无铅压电陶瓷作为一种重要的功能材料，其在众多领域中的应用越来越广泛。
无铅压电陶瓷，顾名思义，是指那些不含有铅元素，同时具备压电效应的陶瓷材料。
这类材料因其独特的物理性质，如压电性、热释电性、铁电性等，使得它们在传感器、换能器、谐振器、滤波器、驱动器等电子元器件以及医疗、环保、能源、通信等领域具有广阔的应用前景。
本文旨在全面综述无铅压电陶瓷的研究现状和应用进展。
我们将首先介绍无铅压电陶瓷的基本概念、性质及分类，然后重点论述其制备工艺、性能优化、改性方法等关键技术问题。
我们还将对无铅压电陶瓷在各个领域的应用情况进行深入探讨，分析其在不同应用场景中的优势和挑战。
我们将对无铅压电陶瓷的未来发展趋势进行展望，以期为推动该领域的研究和应用提供有益的参考。
二、无铅压电陶瓷的分类与性能无铅压电陶瓷，作为一种环境友好且性能优良的压电材料，近年来受到了广泛的关注和研究。
根据其组成和结构的不同，无铅压电陶瓷主要可以分为以下几类：碱土金属氧化物基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、钨青铜结构无铅压电陶瓷以及其他复杂结构无铅压电陶瓷。
碱土金属氧化物基无铅压电陶瓷，如钛酸钡（BaTiO3）和钛酸锶（SrTiO3）等，具有较高的居里温度和稳定的压电性能。
这些材料在传感器、执行器以及谐振器等领域有着广泛的应用。
然而，它们的压电性能相对铅基压电陶瓷来说较低，因此，提高其压电性能是无铅压电陶瓷研究的重要方向。
铋层状结构无铅压电陶瓷，如铋酸钠（Bi2NaNbO7）和铋酸钾（Bi2KNbO7）等，具有层状结构和良好的压电性能。
这类材料的压电常数和介电常数都较高，因此在高频、高功率、高温等极端环境下具有广泛的应用前景。
然而，其居里温度较低，限制了其在高温领域的应用。
钨青铜结构无铅压电陶瓷，如铌酸钾钠（K5Na5NbO3）和铌酸钾锂（LiNbO3）等，具有良好的压电性能和较高的居里温度。
压电陶瓷国外发展现状
压电陶瓷国外发展现状
压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有机械应力及电场的耦合效应，可将电能转化为机械能，反之亦然。
在国外，压电陶瓷的发展取得了重要的进展，广泛应用于各个领域。
在声学领域，压电陶瓷被广泛用于超声波传感和发射装置。
其高压电效应使其能够转化电信号为超声波，实现声波的发射和接收。
这种特性在医学超声波成像、水下声呐等应用中得到了广泛应用。
在电子领域，压电陶瓷作为振动传感元件和电压控制元件被广泛使用。
它可以制作成各种形状和尺寸的电子元件，如压电陶瓷敏感元件、压电陶瓷滤波器等。
这些元件具有低损耗、高稳定性和可控性强的特点，可以用于电子设备中的振动感应和精确控制。
在能源领域，由于压电陶瓷的能量转换特性，其被广泛应用于能量采集和能量储存装置中。
通过利用压电效应，压电陶瓷可以将机械能转化为电能，为可穿戴设备、无线传感器等低功耗设备提供持续的电源。
此外，压电陶瓷也被应用于精密仪器的控制系统中。
其高精度、高响应速度和高稳定性使得压电陶瓷称为理想的执行器。
在光学仪器、仪表设备以及机器人学中，压电陶瓷的应用大大提高了设备的精确度和响应性能。
总体而言，压电陶瓷在国外的发展取得了显著的成果，并广泛
应用于声学、电子、能源和精密控制等领域。
随着技术的不断进步和需求的增加，相信压电陶瓷在未来的发展中将有更广阔的应用前景。
中国压电陶瓷的发现与发展
中国压电陶瓷的发现与发展中国的压电陶瓷的发现与发展可以追溯到很早以前。
压电效应是指一些材料在受到机械压力或拉伸力作用时会产生电荷分离和电位差的现象。
压电材料可以被运用于传感器、无线通信、声学设备、医疗仪器等领域。
下面将详细介绍中国压电陶瓷的发现与发展。
中国人民解放军第五十三军团军工科研所的李研民与中国科学院固体物理研究所吴稼祥等人在20世纪50年代初首次在中国发现了压电陶瓷。
他们通过对具有压电性能的晶体进行实验和研究，最终成功制备出了具有压电效应的陶瓷材料。
自此以后，中国开始大规模开展对压电陶瓷材料的研究与开发，使其应用范围得到了极大地拓展。
中国科学家们利用这种材料制备了各种各样的压电器件，如压电传感器、压电超声换能器、压电陶瓷压电马达等。
这些压电器件在军事、航空航天、通信、医疗等领域的应用推动了国内相关产业的迅速发展。
随着技术的进步和需求的增加，中国压电陶瓷的生产水平也在不断提高。
中国科研机构与企业之间的合作加强，技术水平的交流也使得中国的压电陶瓷产业获得了许多的突破。
目前，中国已经成为全球最大的压电陶瓷生产国之一然而，中国的压电陶瓷产业还面临一些挑战和问题。
首先，技术水平相对滞后，与国外相比还存在一定的差距。
其次，生产环节中的一些环境污染问题也需要引起重视。
此外，国内市场对压电陶瓷产品的需求还不足，与国外市场的规模相比还有很大的差距。
这些问题需要通过技术进步、产业结构优化和市场开拓来解决。
总体来说，中国的压电陶瓷的发现与发展经历了一个从初期探索到逐渐成熟的过程。
中国在这一领域取得了很多的成果和突破，并且在全球可持续发展和创新方面发挥着重要作用。
随着技术的进步和产业的发展，相信中国的压电陶瓷产业将会迎来更加美好的未来。
压电陶瓷材料的应用、制备方法与发展趋势
压电陶瓷材料的应用、制备方法与发展趋势闵杰中南大学材料科学与工程学院材料1003 学号：0607100313 【摘要】本文主要概述了国内外关于压电陶瓷材料的发展历史进程和研究现状，提出压电陶瓷材料的制备方法，探讨了其发展趋势和应用前景。
指出了现代压电陶瓷材料正在向着复合化，薄膜化，无铅化及纳米化方向发展。
该材料应用前景广阔，是一种极有发展潜力的材料。
【Abstract】This paper discussed the development of piezoelectric materials about the history and present research. Put forward the preparation method of piezoelectric ceramic materials.Discusses the developing trend and applied prospects, pointed out that modern piezoelectric materials are toward the compounding, film, utilizing and nanometer direction!.Application prospect,it will be one kind of extremely promising materials.【关键词】压电陶瓷应用制备方法进展发展趋势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a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，NaKC4H464H20)的极化可以在施加外电场的情况下反向。
2023年压电陶瓷行业市场分析现状
2023年压电陶瓷行业市场分析现状压电陶瓷是一种功能材料，具有压电效应，可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能。
作为一种重要的电声转换器件，压电陶瓷在传感器、换能器、声波滤波器等领域有广泛应用。
现在，随着科技的进步和市场需求的增加，压电陶瓷行业正处于快速发展阶段。
首先，压电陶瓷的应用领域日益扩大。
传感器是压电陶瓷的主要应用领域之一，其可以将声音、压力、加速度等物理量转化为电信号，用于测量、控制等方面。
此外，压电陶瓷还广泛应用于电声换能器、超声波清洗器、声波滤波器、振荡器等领域。
随着人们对科技和智能化的要求越来越高，压电陶瓷的应用前景非常广阔。
其次，压电陶瓷行业在技术研发上取得了重要突破。
近年来，压电陶瓷在材料制备、加工技术、性能改进等方面取得了重要进展。
例如，通过改进陶瓷材料的合成方法和结构设计，研发出了具有更高压电性能和更好稳定性的压电陶瓷材料。
同时，压电陶瓷的加工技术也得到了提升，使得生产效率和产品质量得到了改善。
这些技术突破推动了压电陶瓷行业的发展。
此外，压电陶瓷行业在市场需求上呈现出多样化的趋势。
随着人们对能源的高效利用和环境友好性要求的提高，压电陶瓷在节能环保领域的应用逐渐增加。
例如，压电陶瓷可以应用于能量回收装置、智能家居设备等方面，实现能源的回收和利用。
同时，随着汽车、航天航空等行业的发展，对压电陶瓷的需求也在增加。
因此，压电陶瓷行业具有广阔的市场前景。
然而，压电陶瓷行业也面临一些挑战。
首先，压电陶瓷的生产成本较高，限制了其在一些大规模应用领域的发展。
其次，压电陶瓷的技术还存在一些局限性，如材料稳定性、加工精度等方面仍有需要改进的地方。
此外，压电陶瓷行业面临着激烈的市场竞争，需要不断提升产品品质和技术创新能力。
综合来看，压电陶瓷行业市场正处于快速发展阶段，具有广阔的应用前景。
随着科技的进步和市场需求的增加，这个行业将持续获得重要突破和发展机遇。
然而，压电陶瓷行业也面临一些挑战，需要企业不断提升产品品质和技术创新能力。
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第25卷第4期 硅 酸 盐 通 报 V o.l 25 N o .4 2006年8月 BULLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY A ugust ,2006 国内外压电陶瓷的新进展及新应用李晓娟,李全禄,谢妙霞,郝淑娟,杨贵考,周九茹,马 晴(陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062)摘要:主要综述了近年来国内外压电陶瓷材料的最新进展和最新应用状况,以及为使压电陶瓷材料更充分应用于生产实践中所采取的一系列改性措施,其中包括锆钛酸铅(PZT )压电陶瓷、不含铅的铋层压电陶瓷、钛酸铋钠(BNT )压电陶瓷及钛酸钡(BaT i O 3)压电陶瓷系统。
最后,还简要介绍了压电陶瓷材料未来的发展趋势。
关键词:压电陶瓷材料;新进展;新应用;发展趋势N e w H eadways and N e w App li cati ons of P iezocera m icsatH o m e and AbroadLI X iao -Juan ,LI Quan -Lu ,X I E M iao -X i a ,HA O Shu -Juan ,YA NG Gui -kao ,ZH OU J iu -ru ,MA Q i n g(School of Phys i cs and Infor m ation Technol ogy ,ShaanxiN or m alUn i versit y ,Xi 'an 710062)Abst ract :This paper summ arizes the new headw ay and ne w applicati o n of piezoelectric cera m ic m a terialsat ho m e and abroad in r ecent years ,and a series of i m prove m en ts in order t o m ake t h e m fully applied i nt h e p r oduc tion w ere pr oposed ,i n cluding the p i e zoe lectric cera m ic o f PZT w ith lead ,the l e ad -freepiezoelectric cera m ic w ith bis mu t h layer str uct u r e ,t h e p iezoelectric ce ra m ic of B NT and p iezoelectricce r a m ic Ba T i O 3.I n addition ,ne w deve l o p m ent trends o f p iezoelectric cera m ic we r e in troduced .K ey w ords :piezoe lectric cera m ic m a teria ls ;ne w headw ay ;ne w applica tion ;deve lopm ent tr end基金项目:国家自然科学基金资助项目(10374064);陕西省教育厅专项科研计划资助项目(03J K061).作者简介:李晓娟(1978-),女,硕士.从事压电陶瓷材料及器件研究. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等[1～3]。
随着现代电子信息技术的飞速发展,对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。
目前,在性能改进方面主要采用2种方法[4～6]:一种是掺杂改性,即掺杂某种改性离子;另一种是改进制备工艺。
本文将对国内外压电陶材料的最新研究进展及最新应用情况做一扼要的综述,其中包括含铅压电陶瓷与无铅压电陶瓷系统;并对压电陶瓷材料未来的发展动态进行了展望,目的在于使相关科研与教学人员能注意到该领域新的发展状况及有待解决的问题。
1 压电陶瓷的基本物理性质1.1 介电性及弹性性质压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度,通常用介电常数ε来表示。
在外电场不太大时,电介质对电场的响应可用线性关系P =ε0χE [7]表示,P 为极化强度,ε0为真空介电常数,χ为电极化率,E为外加电场。
不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。
例如,压电陶瓷扬声器等音频102 综合评述硅酸盐通报 第25卷元件要求陶瓷的介电常数要大,而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。
压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。
压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律[7]:X mn=c mnpq x mnpq,式中c m npq叫做弹性体的弹性硬度常数,X为应力,x为应变。
对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。
1.2 压电陶瓷的压电性压电陶瓷最大的特性是具有压电性,包括正压电性和逆压电性。
正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。
在外力不太大的情况下,其电荷密度与外力成正比,遵循公式:δ=d T[8]。
其中δ为面电荷密度,d为压电应变常数,T为伸缩应力。
反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化,由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。
当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系,遵循公式:x=d t E[7]。
d t为逆压电应变常数,即d的转置矩阵,E为外加电场,x为应变。
压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示,遵循公式[9]:K=u212u1u2其中u212为压电能,u1为弹性能,u2为介电能。
1.3 压电特性的物理机制[10]我们知道经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷,所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。
如图1所示。
当给陶瓷片施加一外界压力F时,片的两端会出现放电现象,如图2所示。
相反加以拉力会出现充电现象。
这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
图1 陶瓷片内的束缚电荷与电极上的自由电荷示意图F ig.1 Ske tch m ap of bound cha rge i n cera m ics and freecharg e on po le 图2 正压电效应示意图F i g.2 Ske t ch map o f direct p i ezoelectric effect图3 逆压电效应示意图F i g.3 Ske t ch m ap o f converse piezoe lectric e ffect 另外,压电陶瓷具有自发极化的性质,而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。
因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图3所示的变化,压电陶瓷会有变形。
然而,压电陶瓷之所以会有变形,是因为当加上与自发极化相同的外电场时,相当于增强了极化强度。
极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。
相反,如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。
这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。
2 压电陶瓷的性能改进及应用2.1 含铅压电陶瓷低温烧结及性能改进二元系锆钛酸铅Pb(Zr x T i1-x)O3(简称PZT)压电陶瓷的压电性能和温度稳定性以及居里温度等都大大优越于其他陶瓷,更重要的是PZT还可以通过改变组分或变换外界条件使其电物理性能在很大范围内进行 第4期李晓娟等:国内外压电陶瓷的新进展及新应用103调节,如三元系,四元系等,以适应不同需要[11]。
因此很快成为国内外学者研究的主要对象。
以PZT为基压电陶瓷烧结温度一般都比较高,约为1200～1300℃。
然而,氧化铅(PbO)的挥发温度为800℃左右。
这样,在烧结过程中很容易造成氧化铅的挥发,不能保证烧结过程处于铅气氛中,势必影响陶瓷性能[12]。
针对这一点,曾有人提出在最初配料时加过量Pb3O[13]4,然后把样品放在密闭的坩埚内,目的在于保证烧成处于铅的气氛中。
该方法虽然保证了陶瓷的性能,但却忽视了氧化铅是一种易挥发的有毒物质。
Ryn等[14]认为提高升温速率,可以降低氧化铅的挥发。
这种方法不足之处在于:第一,不能完全消灭氧化铅的挥发;第二,未考虑到烧结温度对晶粒尺寸的影响。
因为温度越高、晶粒尺寸越大,在同样的保温条件下,过大的晶粒尺寸将会导致压电性下降。
如果能够从降低烧结温度及升温时间方面进行工艺改进,这样既能减少氧化铅的挥发,又能有效控制晶粒尺寸过分增长,同时又节约了能源。
目前,低温烧结方法主要有[15]: sol-ge l、热压法、超细粉体制备及添加助熔剂法。
JI N等[15]将Li2O掺杂在0.2[Pb(M g1/3Nb2/3)]-0.8[PbT i O3-PbZr O3]中,目的是降低烧结温度。
实验发现,在950℃低温下合成了性能良好的压电体,如Li2O质量分数为0.1%时,d33、k33、k p、tanδ最佳值分别为565pC/N、77.92%、63.7%、0.022。
以x Pb(M g1/3Nb2/3)O3-y Pb (N i1/3Nb2/3)O3-z Pb(Zr,T i)O3为基体并适量掺杂ZnO、Li2CO3、CdO等,所制备出的P MN-PNN-PZT压电陶瓷在900℃以下烧结仍具有良好的压电性[16,17]。
使用掺杂助熔剂进行性能改进是最基础的改进方法,如共沉淀法、溶盐法、溶胶-凝胶法、水热法等。
可是这些方法的缺点在于容易使PbO挥发、引起第二相、而且生产过程困难等。
为了克服这些不足,一些方法已被提出:如2阶段煅烧法、加入钙钛矿添加剂等。
Ananta等[18]通过采用2步烧结法在低温条件下(800℃和830℃)成功制备出了高致密度、高压电性能、低介质损耗的P MN、PF N压电陶瓷。
这种方法既减少氧化铅的挥发又不会引起第二相产生,而且节约能源。
C HU等[19]在他的文章中,特别对传统的低温烧结方法进行了评价,提出了钙钛矿添加剂低温烧结法,并且通过实验加以验证。
实验方法是:在0.25Pb(N i1/3Nb2/3)O3-0.75Pb(Zr0:52Ti0:48)O3中加入B i F e O3和B a(Cu0:5W0:5)O3在850℃和950℃合成了PNN-PZT-A基陶瓷。
与传统压电陶瓷相比,PNN-PZT-A基陶瓷的烧结温度降低了300～350℃,且具有良好的介电性(εr=4091)。