无铅压电陶瓷PPT课件
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9
有所拓宽(– 30～＋80°C)。
BNT基无铅压电陶瓷
2.2 BNT基无铅压电陶瓷
钛酸铋钠(Na1/2Bi1/2)TiO3， 简写为BNT基的压电陶瓷。BNT 于1960年被Smolensky发现，是 一种A位复合取代的钙钛矿型 铁电体。它在200°C以下为铁 电三方相，居里点为320℃ ， 320 ℃以上以顺电相存在。
在BNT中引入第二组元BaTiO3（BT），对A位 （Bi0.5Na0.5）进行A位取代，可以形成（1-x）BNT-xBT 固溶体系统。BT的引入可以降低BNT过高的矫顽场，该系 陶瓷居里温度一般为278～290℃，厚度和径向机电耦合 系数各向异性大，适合于超声领域应用。
13
在BNT-BT体系中添加氧化物可以改善某些性能
1）(1–x) BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等；B=Zr、 Sn、Hf、Ce等）；
2）(1–x) BaTiO3-xA1B1O3（A1=K、Na等；B1=Nb， Ta等）；
3）(1–x) BaTiO3-xA20.5NbO3（A2=Ca、Sr、Ba 等）。
比较令人注目的是以 Zr 取代 Ti 且添加金属氧化物形成的 Ba(Ti1–yZry)O3 (BZT)体系，其压电性能佳(压电常数d33>300 pC/N，机电耦合系数 k33最高可达到 65％)，工作温区较改性前
10
缺点：BNT 的矫顽场高 ( Ec= 73k V／c m) ，在铁 电相区的电导率高 ，因而很难极化 。加之 NaO 易 吸潮 ，陶瓷的烧结温度范围窄 ，导致体系的化学性 能稳定性较铅基陶瓷差 。因此，单纯的 BNT 陶瓷难 以实用化 。
研究表明，在BNT 基础上进行掺杂改性形成具有铁 电性的系列固溶体，能够在一定程度上克服BNT 的 这些缺点，并能提高其压电性能，从而获得具有一定 实用价值的压电陶瓷材料。
La2O3：添加La2O3（<15%）时，可以提高材料的压电 性质，使材料的弛豫行为更加明显，这也是由于La抑制 了晶粒的生长，随着La含量的增加，晶粒大小减小。
Co2O3 ：添加Co2O3可以使材料的压电常数增大，同时 大幅度提高机械品质因数。
Sn2O3：添加Sn2O3可以使材料的致密度提高到95%以上， 并且使合成工艺更加稳定。
钛酸铋钠陶瓷体系是人们关注的热点。
5
2 无铅压电陶瓷的主要体系
A
钛酸钡基无铅压电陶瓷
B
BNT基无铅压电陶瓷
C
铋层状结构压电陶瓷
D
铌酸盐系无铅压电陶瓷
6
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷酸钡基无铅 压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3）是最早发现 有压电性的陶瓷，属于ABO3型 钙钛矿结构（如图1所示）。
BaTiO3的居里点tC＝120℃， 在室温时，它有很强的压电铁电
4
1.3 无铅压电陶瓷的发展历史
20世纪60年代
研究了以铌酸盐和钛酸盐为主的具 有钛酸钙矿结构的无铅压电陶瓷。
20世纪80年代
无铅压电的研究体系集中在铌系压 电陶瓷及铋层状结构化合物。
20 世纪90年代
主要的无铅压电陶瓷体系有钛酸钡、钛 酸铋钠、铋层结构及铌酸盐基压电陶瓷。
最近几年
具有钙钛矿结构的碱金属铌酸盐陶瓷体系和
性，表现出较强的沿c轴自发极
化的铁电性，当温度高于120 ℃
在钛酸铅系压电陶瓷出现 以前一直以其较强的压电
时，BaTiO3晶体属于立方晶系， 性和易于制造等优点在压
压电铁电性能消失。
电陶瓷中占主导地位。
7
钛酸钡陶瓷存在以下不足
1 居里点不高，工作温度范围狭窄，在室温附近（即在工作温 区）存在着相变，使用不方便，不能用于大功率的换能器。
11
主要改进体系有：
（1）(1–x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-xBaTiO3 ＢＮＴ－ＢＴ体系
（2）（1–x）(Na1/2Bi1/2)TiO3-x(K1/2Bi1/2)TiO3 ＢＮＴ－ＢKＴ体系
（3） (1–x)((Na1/2Bi1/2)TiO3-ｘANbO3 (A为Na、
12
K)
2.2.1ＢＮＴ－ＢＴ体系
无铅压电陶瓷
1
主要内容
1
无铅压电陶瓷简介
2
无铅压电陶瓷主要体系
3
无铅压电陶瓷的制备
4
无铅压电陶瓷的应用前景
2
1无铅压电陶瓷简介
1.1 无铅压电陶瓷
某些各向异性的晶体，在外力作用下产生变形，使带电粒子 发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压 电效应。某些介质在受到机械压力时，会产生压缩或伸长等形状 变化，引起介质表面带电，这是正压电效应；反之，施加激励电 场，介质产生机械变形，称为逆压电效应；晶体的这种性质称为 压电性。具有压电效应的材料称为压电材料。无铅压电陶瓷的直 接含义就是不含铅的压电陶瓷。
2
钛酸钡陶瓷的压电性能与含铅系列陶瓷相比，还有一定的差距， 难以通过掺杂改性大幅度改善其性能，以满足不同的需要。
3 需要高温烧结（1 300～1 350°C），且烧结存在一定难
度，所以它目前并不能替代PZT陶瓷在压电铁电性能方面广 泛应用，而是主要用作电容器材料及PTC材料等方面。
8
BaTiO3(BT)基无铅压电材料体系主要有：
机械能
正压电效应
电能
逆压电效应 3
1.2 发展无铅压电陶瓷的原因
传统压电陶瓷—PZT
无铅压电陶瓷
深有求境优度大可层良材造点高，以含好料成，温任：义的体损机度意具环系害是电稳选有境本的指耦定择优协身物既合性，越调不质具系和便的性含，有数耐于压的有在满及久大电可制意压机性量性能备的电械 好生能对、使陶品，产，生使用瓷质且。居态用性，因形里环及能它数状温废又要 弃的等器社缺P学制健后物环件会b点计，康O处质境将效容量而。：理，协是益易比且烧过且调一的挥发对结程材性件事发生环温料特具。中，偏境度的征有不经差造一制。重产常，成般备取要生使性污在工代科可得能染1艺含学2能P0难，铅意Z0对具以危T℃压义环有陶稳害以电和境耗瓷定人上陶巨有能的控体，瓷大害少化
优点：机电耦合系数各向异性较大（kt约50％，kp约13％），用作
厚度振动的振子，容易除去不必要的振动；居里温度较高（320℃）； 相对介电常数较小（240～340）；热释电性能与BaTiO3 和PZT 相 当；声学性能好（Np＝3200 Hz·m），在超声方面应用较PZT优越； 而且烧结温度低，一般在1200°C以下。
有所拓宽(– 30～＋80°C)。
BNT基无铅压电陶瓷
2.2 BNT基无铅压电陶瓷
钛酸铋钠(Na1/2Bi1/2)TiO3， 简写为BNT基的压电陶瓷。BNT 于1960年被Smolensky发现，是 一种A位复合取代的钙钛矿型 铁电体。它在200°C以下为铁 电三方相，居里点为320℃ ， 320 ℃以上以顺电相存在。
在BNT中引入第二组元BaTiO3（BT），对A位 （Bi0.5Na0.5）进行A位取代，可以形成（1-x）BNT-xBT 固溶体系统。BT的引入可以降低BNT过高的矫顽场，该系 陶瓷居里温度一般为278～290℃，厚度和径向机电耦合 系数各向异性大，适合于超声领域应用。
13
在BNT-BT体系中添加氧化物可以改善某些性能
1）(1–x) BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等；B=Zr、 Sn、Hf、Ce等）；
2）(1–x) BaTiO3-xA1B1O3（A1=K、Na等；B1=Nb， Ta等）；
3）(1–x) BaTiO3-xA20.5NbO3（A2=Ca、Sr、Ba 等）。
比较令人注目的是以 Zr 取代 Ti 且添加金属氧化物形成的 Ba(Ti1–yZry)O3 (BZT)体系，其压电性能佳(压电常数d33>300 pC/N，机电耦合系数 k33最高可达到 65％)，工作温区较改性前
10
缺点：BNT 的矫顽场高 ( Ec= 73k V／c m) ，在铁 电相区的电导率高 ，因而很难极化 。加之 NaO 易 吸潮 ，陶瓷的烧结温度范围窄 ，导致体系的化学性 能稳定性较铅基陶瓷差 。因此，单纯的 BNT 陶瓷难 以实用化 。
研究表明，在BNT 基础上进行掺杂改性形成具有铁 电性的系列固溶体，能够在一定程度上克服BNT 的 这些缺点，并能提高其压电性能，从而获得具有一定 实用价值的压电陶瓷材料。
La2O3：添加La2O3（<15%）时，可以提高材料的压电 性质，使材料的弛豫行为更加明显，这也是由于La抑制 了晶粒的生长，随着La含量的增加，晶粒大小减小。
Co2O3 ：添加Co2O3可以使材料的压电常数增大，同时 大幅度提高机械品质因数。
Sn2O3：添加Sn2O3可以使材料的致密度提高到95%以上， 并且使合成工艺更加稳定。
钛酸铋钠陶瓷体系是人们关注的热点。
5
2 无铅压电陶瓷的主要体系
A
钛酸钡基无铅压电陶瓷
B
BNT基无铅压电陶瓷
C
铋层状结构压电陶瓷
D
铌酸盐系无铅压电陶瓷
6
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷酸钡基无铅 压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3）是最早发现 有压电性的陶瓷，属于ABO3型 钙钛矿结构（如图1所示）。
BaTiO3的居里点tC＝120℃， 在室温时，它有很强的压电铁电
4
1.3 无铅压电陶瓷的发展历史
20世纪60年代
研究了以铌酸盐和钛酸盐为主的具 有钛酸钙矿结构的无铅压电陶瓷。
20世纪80年代
无铅压电的研究体系集中在铌系压 电陶瓷及铋层状结构化合物。
20 世纪90年代
主要的无铅压电陶瓷体系有钛酸钡、钛 酸铋钠、铋层结构及铌酸盐基压电陶瓷。
最近几年
具有钙钛矿结构的碱金属铌酸盐陶瓷体系和
性，表现出较强的沿c轴自发极
化的铁电性，当温度高于120 ℃
在钛酸铅系压电陶瓷出现 以前一直以其较强的压电
时，BaTiO3晶体属于立方晶系， 性和易于制造等优点在压
压电铁电性能消失。
电陶瓷中占主导地位。
7
钛酸钡陶瓷存在以下不足
1 居里点不高，工作温度范围狭窄，在室温附近（即在工作温 区）存在着相变，使用不方便，不能用于大功率的换能器。
11
主要改进体系有：
（1）(1–x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-xBaTiO3 ＢＮＴ－ＢＴ体系
（2）（1–x）(Na1/2Bi1/2)TiO3-x(K1/2Bi1/2)TiO3 ＢＮＴ－ＢKＴ体系
（3） (1–x)((Na1/2Bi1/2)TiO3-ｘANbO3 (A为Na、
12
K)
2.2.1ＢＮＴ－ＢＴ体系
无铅压电陶瓷
1
主要内容
1
无铅压电陶瓷简介
2
无铅压电陶瓷主要体系
3
无铅压电陶瓷的制备
4
无铅压电陶瓷的应用前景
2
1无铅压电陶瓷简介
1.1 无铅压电陶瓷
某些各向异性的晶体，在外力作用下产生变形，使带电粒子 发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压 电效应。某些介质在受到机械压力时，会产生压缩或伸长等形状 变化，引起介质表面带电，这是正压电效应；反之，施加激励电 场，介质产生机械变形，称为逆压电效应；晶体的这种性质称为 压电性。具有压电效应的材料称为压电材料。无铅压电陶瓷的直 接含义就是不含铅的压电陶瓷。
2
钛酸钡陶瓷的压电性能与含铅系列陶瓷相比，还有一定的差距， 难以通过掺杂改性大幅度改善其性能，以满足不同的需要。
3 需要高温烧结（1 300～1 350°C），且烧结存在一定难
度，所以它目前并不能替代PZT陶瓷在压电铁电性能方面广 泛应用，而是主要用作电容器材料及PTC材料等方面。
8
BaTiO3(BT)基无铅压电材料体系主要有：
机械能
正压电效应
电能
逆压电效应 3
1.2 发展无铅压电陶瓷的原因
传统压电陶瓷—PZT
无铅压电陶瓷
深有求境优度大可层良材造点高，以含好料成，温任：义的体损机度意具环系害是电稳选有境本的指耦定择优协身物既合性，越调不质具系和便的性含，有数耐于压的有在满及久大电可制意压机性量性能备的电械 好生能对、使陶品，产，生使用瓷质且。居态用性，因形里环及能它数状温废又要 弃的等器社缺P学制健后物环件会b点计，康O处质境将效容量而。：理，协是益易比且烧过且调一的挥发对结程材性件事发生环温料特具。中，偏境度的征有不经差造一制。重产常，成般备取要生使性污在工代科可得能染1艺含学2能P0难，铅意Z0对具以危T℃压义环有陶稳害以电和境耗瓷定人上陶巨有能的控体，瓷大害少化
优点：机电耦合系数各向异性较大（kt约50％，kp约13％），用作
厚度振动的振子，容易除去不必要的振动；居里温度较高（320℃）； 相对介电常数较小（240～340）；热释电性能与BaTiO3 和PZT 相 当；声学性能好（Np＝3200 Hz·m），在超声方面应用较PZT优越； 而且烧结温度低，一般在1200°C以下。