压电陶瓷报告

项目编号0912011411

自然科学√

项目分类

社会科学

中国海洋大学

本科生研究发展计划（OUC-SRDP）项目

研究报告

项目名称：钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料的

溶胶-凝胶法制备及电性能研究

负责人：杜乘风

所在学院：材料科学与工程研究院

专业年级：2007级材料化学

指导教师: 戴金辉

起止年月：2009 年06 月至2010 年04 月

1.文献综述

1.1 压电陶瓷

压电铁电陶瓷是功能陶瓷中应用广泛的一类，铁电性应用在存储器、记忆器等领域、压电性应用在换能器、驱动器、声表面波器件等领域，热释电应用在探测器、报警器、焦平面列阵等领域，介电应用在电容器、传感器等领域。包括电容器陶瓷在内的压电铁电陶瓷，其世界市场份额占整个功能陶瓷的三分之一。

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，即是一种具有压电效应的材料。

在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。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，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。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，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷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，但基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

目前，压电陶瓷的主要原料还包括铅等有毒物质。下一阶段，无铅压电陶瓷和低温压电陶瓷将是发展的方向。

对于某些介电晶体(无对称中心的异极晶体)，当其受到拉应力、压应力或切应力的作用时，除了产生相应的应变外，还在晶体中诱发出介电极化，导致晶体的两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种在没有外电场作用的情况下，有机械应力的作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。晶体韵压电效应可用图1.的示意图来加以解释。

1.2 项目研究意义

压电陶瓷作为一种重要的功能陶瓷材料，能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性，在机械、电子和通信等领域都有着广泛的应用。

传统的压电铁电陶瓷，包括驰豫性铁电陶瓷，大多是含铅陶瓷，其中氧化铅约占原料总质量的70％左右。PbO在烧结温度下具有相当的挥发性，这一方面对人体、环境造成危害，而另一方面也使陶瓷中的化学计量比偏离配方中的化学计量比，使得产品的一致性和重复性降低。

无铅压电陶瓷(或更广义称为环境协调性压电陶瓷)的直接含义是不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有满意的使用性又有良好的环境协调性的压电陶瓷，它要求材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质，在制备、使用及废弃后处理过程中不产生可能对环境有害的物质，且材料的制备工艺具有耗能少等环境协调性特征。一些国家正在酝酿立法，即为了保护地球和人类的生存空间，防止环境的污染，在不久的将来将禁用含铅的压电铁电材料。因此发展非铅基的环境协调性的压电铁电材料是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。在九十年代以前，关于无铅材料的研究很少；九十年代以后，无铅材料的研究逐年稳步上升，但比含铅材料的研究还是少很多。这主要是因为无铅材料的性能不如含铅材料，很难在实际中得到应用。

目前，日本、法国、俄罗斯、中国以及韩国的科技工作者，都在抓紧研究非铅基压电铁电陶瓷材料。目前，可以利用的无铅压电体系有钛酸钡（BaTiO3）基压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、含铋层状压电陶瓷以及钛酸铋钠基（BNT）压电陶瓷等，而国内外对无铅压电陶瓷的研究也主要集中在这几个方面，其中，BNT为具有钙钛矿结构（ABO3）的A位离子复合取代的豫弛铁电体，其居里温度高、机电耦合系数较大、介电常数小，因而被认为是最有可能取代铅基压电陶瓷的材料体系之一。但是目前钛酸铋钠基（BNT）无铅压电陶瓷材料以及其它无铅压电陶瓷材料的性能与含铅压电陶瓷材料相比尚存在较大差距，仍需进一步研究、完善。

2. 实验设计

2.1 实验药品及仪器

表1. 实验药品

试剂名称纯度生产厂家

钛酸丁酯分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司

无水乙醇分析纯莱阳经济技术开发区精密试剂厂

冰乙酸分析纯天津市博迪化工有限公司

硝酸铋分析纯天津市博迪化工有限公司

三水和乙酸钠分析纯鑫科股份合肥工业大学化学试剂厂

BQ-5877导电银浆82%Ag

表2. 实验仪器

仪器型号

生产厂家

769YP-24B 粉末压片机 天津市科器高新技术公司 真空干燥箱

上海三发科学仪器有限公司 2XZ-0.25型旋片真空泵 上海申光仪器仪表有限公司 电热鼓风干燥箱

KQ3200B 型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司 双向磁力搅拌器

CJ2671S 耐压测试仪 南京长江无线电厂 ZJ-3AN 型准静态d33测量仪 中国科学院声学所

2.2 溶胶-凝胶法简介

溶胶－凝胶技术是指金属有机物或无机物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。它是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的，其反应过程通常用下列方程式表示：

O

H M O M OH OH M ROH M O M RO OH M ROH OH O H OH M 22M M M +----−−→−-+--+----−−→−-+--+--−−→−+--水解水解水解 或用下列通式表示：

MROH M OX M OR M MXOH n +-→+])()([M(OR)n

上述反应可以用SN2亲核取代反应机理解释。首先，带部分负电荷的HO

δ－

基团亲

核攻击带部分正电荷的金属原子M δ＋，这一步导致了金属原子在过渡态时配位数的增加。其次，带正电的质子转移到带负电的OR δ－基上。最后，带正电的质子化的烷氧基配位体脱离金属原子M 。

其反应结果是烷氧基OR 被OX 基取代。因此，金属醇盐的水解和聚合反应能力取决于M 原子的部分正电荷δ+的多少，以及该金属原子增加配位数N 的能力。 溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停的进行布朗运动的体系。根据粒子与溶剂间相互作用的强弱，通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。由于界面原子的Gibbs 自由能比内部原子的自由能高，所以溶胶是一个热力学不稳定体系。如果没有其它条件限制，则胶粒将倾向于自发凝聚，最终达到低比表面状态。若上述凝聚过程可逆，则称为絮凝；若不可逆，则称为凝胶化。

凝胶是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联而形成空间网状结构、并在网状结构的孔隙中充满了液体（在干凝胶中的分散介质也可以是气体）的分散体系，并非所有的溶胶都能转变为凝胶。凝胶能否形成的关键在于胶粒间的相互作用力是否强到足以克服胶粒-溶剂间的相互作用力。[1]

2.3 实验

2.3.1 实验流程

本实验具体实验流程如下： ①确定原料配方

酞酸丁酯，硝酸铋，三水和乙酸钠按生成钛酸铋钠的化学组成比计算配比