钛酸钡

题目：关于压电陶瓷之钛酸钡的简单分析班级：

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传统的压电陶瓷大多是含铅陶瓷,其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的70%左右,在制备、使用及废弃处理过程中,都会给环境和人类带来危害。从生态环境保护和社会可持续发展战略的实施来看,压电陶瓷的无铅化是其发展的必然趋势。ABO3型钙钛矿结构的BaTiO3(BT)是最早发现的无铅压电陶瓷,也是最先获得应用的压电陶瓷材料。

关键字：无铅陶瓷钛酸钡环保

一、压电陶瓷简介

压电材料是微机电系统(MEMS)常用的一种功能材料。压电材料的主要属性是，其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场（电压）作用下将发生相互耦合，也就是应力－应变－电压之间存在内在联系。压电效应有正负之分，正压电效应在机械应力作用下，将机械能转换为电能；负压电效应则在电压作用下，将电能转换为机械能。利用正压电效应感知外界的机械能，可以制作微传感器；利用逆压电效应作为驱动力，可以制作压电微执行器。

陶瓷材料是以化学合成物质为原材料，经过精密的成型烧结而成。烧结前，严格控制合成物质的组份比，便可以研制成适合多种用途的功能陶瓷，如压电陶瓷（电致伸缩材料）、半导体陶瓷、导体陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的，电极化之后的压电陶瓷为各向异性的多晶体。常用的压电陶瓷有钛酸钡（BT）、锆钛酸铅（BZT）、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅（PN）、铌酸铅钡锂（PBLN）、改性钛酸铅等。

下面主要针对压电陶瓷常用的材料钛酸钡（BT）的机理及应用问题做简单分析

二、钛酸钡陶瓷特点及应用

自20世纪40年代年发现钛酸钡陶瓷的压电性以来,压电陶瓷的发展已有60余年。压电陶瓷作为一类重要的、国际竞争极为激烈的功能材料,其应用已遍及人类生产及生活的各个角落。然而,传统的压电陶瓷大多是含铅陶瓷,其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的70%左右,在制备、使用及废弃处理过程中,都会给环境和人类带来危害。从生态环境保护和社会可持续发展战略的实施来看,压电陶瓷的无铅化是其发展的必然趋势。ABO3型钙钛矿结构的BaTiO3(BT)是最早发现的无铅压电陶瓷,也是最先获得应用的压电陶瓷材料。

钛酸钡晶体有一般压电材料的共有特性：当它受压力而改变形状的时候，会产生电流，一通电又会改变形状。于是，人们把钛酸钡放在超声波中，它受压便产生电流，由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反，用高频电流通过它，则可以产生超声波。现在，几乎所有的超声波仪器中，都要用到钛酸钡。除此之外，钛酸钡还有许多用途。例如：铁路

工人把它放在铁轨下面，来测量火车通过时候的压力；医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器，是锐利的水下眼睛，它不只能够看到鱼群，而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。

三、钛酸钡材料机理

作为著名的铁电和压电材料,BaTIO3早在1942年就已经为美、苏学者所发现,是迄今为止研究得最为透彻的物质之一,而以现代人的眼光来看,BaTIO3基压电陶瓷的优异电性能和低污染性是其再次受到人们重视的重要因素,因此BaTIO3也是目前制备无铅压电陶瓷的重要候选材料。现阶段对BaTIO3压电陶瓷的研究主要集中在以BT为基的二元或多元陶瓷体系。在这些材料体系中,BaTIO3-Bi0.5,Na0.5TIO3(BT一BNT),BaTIO3-Bi0.5K0.5TIO3(BT一BKT)体系受到了广泛的关注和研究,取得了很多重要认识。[1][2]

BaTi03属于ABO3型钙钦矿结构(如图1所示),随着温度的变化,BaTIO3经历以下的相变过程:立方顺电相~120℃一四方相~5℃一正交相~一80℃一三方相。在室温时,它有很强的压电铁电性,表现出较强的沿c轴自发极化的铁电性,自发极化值为26×10-12 C/cm2。当温度高于120℃时,BaTIO3晶体属于立方晶系,压电铁电性能消失。[3]

BaTIO3陶瓷是研究与发展得相当成熟的无铅压电陶瓷材料,其具有高的介电常数、较大的机电藕合系数和压电常数,中等的机械品质因数和较小的介电损耗。但其居里温度较低(Tc=120℃),工作温区狭窄,且在室温附近存在相变,即BaTIO3陶瓷在5℃附近,要发生铁电四方相(4mm)到铁电正交相(Zmm)的转变,使用不方便,不能用于大功率的换能器。同时该陶瓷压电性能的温度和时间稳定性欠佳,烧结困难(烧结一般在1300℃一1350℃),难以通过掺杂改性大幅度提高其性能来满足不同的需要[4]。因此,单纯的BT陶瓷的压电性能不足(d33~190 pC/N),难以直接取代铅基陶瓷，甚至目前BT基陶瓷主要作为介电材料应用(如多层陶瓷电容

器),作为压电应用已不多见。

四、改进措施

近年来,人们对BT基无铅压电陶瓷又重新给予了高度关注。通过组分设计和采用新的制备技术(如两步烧结、晶粒取向生长技术等)对BT陶瓷进行改性,获得了不少具有应用前景的BT基无铅压电陶瓷体系,如Liu W F等[5]在Physical Review Letters期刊上报道了一种钛酸钡基无铅压电陶瓷体系,化学式为Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-xBCT)。该陶瓷材料采用传统陶瓷工艺制备,当x=0.5时压电常数d33高达620 pC/N,超过了铅基陶瓷PZT-5H 的性能(d33=590pC/N),使无铅压电陶瓷的研究取得了突破性进展。这一研究结果显示出了BT基陶瓷作为无铅压电材料在中、低温压电器件领域恢复市场主导地位的潜在可能性。[6] 目前在压电应用领域仍然占据主导地位的Pb(Zr,Ti)-O3(PZT)基陶瓷之所以具有高压电性能,是因为Pb2+具有独特的化学性质以及PbZrO3和PbTiO3存在准同型相界(MPB)。[6] BT基无铅压电陶瓷材料高压电性能的物理机制目前主要包括3个方面:

(1)通过控制陶瓷的烧结工艺(如二步烧结)获得晶粒尺寸较小(~1.6Lm)、致密度较

高、泊松比和介电常数较大的陶瓷材料;

(2)采用晶粒取向生长技术(如TGG)控制陶瓷的微结构,获得取向度和致密度较高的

织构陶瓷材料;

(3)通过组分设计形成具有TCP的三方-四方MPB,使MPB组分具有较弱的极化各

向异性。

此外,通过组分设计或工艺控制使Tot在室温附近形成PPB,因相界附近陶瓷具有更多可能的极化方向,从而表现出较高的压电和介电性能。

五、应用前景

随着社会可持续发展进程的加快和人类环保意识的提高,压电陶瓷的无铅化发展已是必然趋势,无铅压电陶瓷材料的研究也将进一步深入。BT基无铅压电陶瓷作为一种重要的无铅候选材料,目前在电学性能和物理机制等方面已取得了长足进步。但与PZT基压电陶瓷相比,BT基无铅压电陶瓷的压电性能及其温度稳定性等方面仍然存在一定的差距,还需做大量的研究和开发工作。从材料设计的角度看,对BT基无铅压电陶瓷作进一步A位、B位取代的第一性原理研究,弄清取代原子的化学特性对陶瓷微观结构和压电、铁电性能的影响,对开发高性能的BT基无铅压电陶瓷体系具有重要意义。通过引入新组元形成BT基固溶体,随组分变化出现与PZT类似的MPB,从而提高压电性能;通过引入高居里温度铁电体(如Bi0.5Na0.5TiO3、LiNbO3等)与BT基陶瓷形成固溶体,以提高其居里温度。此外,在提高BT