国内外压电陶瓷的新进展及新应用

　第25卷第4期 硅　酸　盐　通　报 Vol .25　No .4　2006年8月 BULLETI N OF T HE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY August,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(BaTi 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

New Headways and New Appli ca ti on s of P i ezoceram i cs

a t Ho m e and Abroad

L I X iao 2Juan,L I Q uan 2L u,X IE M iao 2X ia,HAO Shu 2Juan,YAN G Gui 2kao,ZHOU J iu 2ru,MA Q ing

(School of Physics and I nfor mati on Technol ogy,Shaanxi Nor mal University,Xi πan 710062)

Abstract:This paper su mmarizes the ne w head way and ne w app licati on of p iez oelectric cera m ic materials at home and abr oad in recent years,and a series of i m p r ove ments in order t o make the m fully app lied in the p r oducti on were p r oposed,including the p iez oelectric cera m ic of PZT with lead,the lead 2free p iez oelectric cera m ic with bis muth layer structure,the p iez oelectric cera m ic of BNT and p iez oelectric cera m ic BaTi O 3.I n additi on,ne w devel opment trends of p iez oelectric cera m ic were intr oduced .

Key words:p iez oelectric cera m ic materials;ne w head way;ne w app licati on;devel opment trend

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(03JK061).

作者简介:李晓娟(19782),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2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 mnpq 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 =u 212u 1·u 2其中u 212为压电能,u 1为弹性能,u 2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

Fig .1　Sketch map of

bound charge in cera m ics and free

charge on pole 图2　正压电效应示意图Fig .2　Sketch map of direct piez oelectric effect

图3　逆压电效应示意图

Fig .3　Sketch map of converse p iezoelectric effect 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 Ti 12x )O 3(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