无铅压电陶瓷厚膜研究进展新 (修复的)

无铅压电陶瓷厚膜的研究进展

（西安建筑科技大学材料学院，西安 710055 ）

摘要：近年来随着人们对环境问题的重视，无铅压电陶瓷的研究成为热点。无铅压电厚膜因其特殊的电学性能在生活中具有广泛的应用。本文从丝网印刷法、复合溶胶-凝胶法、流延成型法、气溶胶沉淀法、电泳沉积法等方面综述了近年来无铅压电厚膜的制备方法，归纳了无铅厚膜的研究热点和研究进展。然而无铅粉体掺杂改性和粉体晶粒定向生长的内在物理机制的研究还未成熟。织构化陶瓷的制备工艺和更低的烧结温度及多种工艺的结合使用制备厚膜应成为今后的研究重点，为制备高性能的无铅压电陶瓷厚膜打下良好的基础。

关键词：无铅压电陶瓷;制备方法; 厚膜

中文图书分类号：TB34文献标识码：A

Abstract:Recentlytheresearchoflead-freepiezoelectricceramichasattractedconsiderableattentionwithimprov ementofenvironmentprotection.Thethickfilmsoflead-freepiezoelectricceramichavebeenwidelyusedwithitsex cellentproperties.Inthispaperwesummarizedthelatestfabricationmethodsandresearchprogressofthethickfilmsf romscreenprinting, sol-gel, tape-casting,aerosol-deposited,electrophoreticdepositionetal. However，theinnerphysicalmechanismresearchofthemodificationoflead-freepowderdopedandtemplategraingrowtharest illimmature.Theprocesstofabricatetexturedlead-freepiezoelectricceramicandlowersinteringtemperatureandth euniteofvariousprocesswouldbeemphasizedinthefuture,whichwilllayagoodfoundationforthepreparationofhig h-performancelead-freepiezoelectricceramicthick-film.

Keywords:lead-freepiezoelectricceramic;fabricationmethod; thickfilm

1.引言

压电陶瓷是一种将机械能与电能相互转化的功能材料，在传感器、微泵、振荡器、换能器、滤波器、微位移器和制动器等方面具有广泛的应用[1-3]。在使用温度下它具有稳定的化学、物理性能。目前被广泛应用的压电陶瓷体系大多是铅基压电陶瓷，如锆钛酸铅基（PZT）压电陶瓷[4]。但在PZT陶瓷体系中，氧化铅（PbO）的含量通常在60wt%以上，而氧化铅在陶瓷成型烧结中具有较强的挥发性，不仅对人体的健康、环境造成危害，而且使烧结过程中陶瓷的化学计量比偏离原配方，给陶瓷的制作工艺和产品的稳定性带来诸多问题，使陶瓷的性能降低。含铅器件废弃后回收进行无公害处理所需的成本甚至高于制造成本[5]。近年来随着人们对环境保护的重视和市场对压电材料需求的增大，研发新型环境友好的铁电、压电材料已成为世界发达国家致力研发的热点材料之一[6]。

压电厚膜厚膜材料厚度一般在10μm-100μm之间。其与薄膜材料相比电性受界面表面等影响较小，较大的厚度能够产生较强的驱动力且具有高灵敏度和宽工作频率[7]。与压电块体材料相比，压电厚膜驱动电压低（﹤5V），使用频率高，能够与半导体工艺兼

容[8]。因此,压电厚膜材料被广泛应用于微型驱动器、压电微马达、微流体泵、喷墨打印头、超声换能器、助听器、声纳水听器及微电子机械系统中[7]。随着铁电存储技术、微光学电子机械系统和铁电集成电子学的发展, 铁电厚膜的制备和应用也成为研究热点。

2.无铅压电陶瓷概况

目前无铅压电陶瓷按晶体类型可以分为三大系列：钙钛矿结构，钨青铜结构和铋层状结构等[9]，压电性能随着材料结构和成分的不同而有所差异，根据应用器件的参数要。求，在实际应用中也各有侧重。钙钛矿结构化学通式为ABO 3，理想的钙钛矿结构可以发生一系列的畸变而产生晶体结构的相变，从而使晶体结构对称性降低[10]，产生压电效应。图1为理想钙钛矿结构（Pm3m ）畸变产生的四方（I4/mcm ）和斜方（Pbnm ）结构晶系变体。

钨青铜结构其特征是存在[BO 6] 式氧八面体(B 为Nb 5 + , Ta 5 +或W 6 +等离子)，图2为钨青铜结构在（001）面上的投影[11]。钨青铜结构化合物具有自发极化较大、居里温度较高、介电常数较低等特点, 同时具有优良的电光性能和热释电性，被广泛应用在声表面波中的滤波器和谐振器、光波导、光调制器、红外探测器等。杨祖培[12]等对Sr x Ba 1–x Nb 2O 6系钨青铜结构陶瓷的研究发现，当x >0.51时，XRD 谱中出现了SrNb 2O 6峰；而当x<0.51，就可得到四方钨青铜结构单相，陶瓷样品的介电性能随x 值的增大而增大，且居里温度随x 值的增加而向低温移动，且所有陶瓷样品均为典型的弛豫铁电体。

铋层状结构化合物首先由Aurivllius [13]于1949年发现。铋层状结构是由二维的钙钛矿和(Bi 2O 2)2 +层有规则地相互交替排列而成。它们的组成为(Bi 2O 2)2 + ·(A x –1B x O 3x + 1)2-。铋层状结构压电陶瓷的各向异性明显，具有高绝缘强度、电阻率和居里温度，而且介电常数和老化率低，因此适合高温高频场合使用。目前对铋层状陶瓷的研究主要集中在A 位和B 位的掺杂改性，从而使陶瓷的各方面性能更适合在高温高频场中适用。

图1 不同钙钛矿型结构垂直Z 轴的投影(圆球为A 原子, 多面体为BX6八面体)[12]

Fig. 1The project ions of perovskite Pm 3m ,I 4/mcm and Pbnm structures along Z direct ion( the A

atoms and BX 6 octahedra are rep resented as balls and polyhedra)[12]