无铅压电陶瓷科普简介
无铅陶瓷的压电性能和弛豫
Bi0⋅5Na0⋅5TiO3–BaNb2O6无铅陶瓷的压电性能和弛豫摘要：(1 – x)Bi0⋅5Na0⋅5TiO3–xBaNb2O6是一种新型的BNT基无铅压电陶瓷，通过传统的固相反应即可制得，我们测试了其压电性能及弛豫。
X射线衍射谱显示了BaNb2O6扩散到了Bi0⋅5Na0⋅5TiO3的晶格中，形成了钙钛矿结构的固溶体。
通过改性后的线性拟合居里外斯定律证明了分散性质。
其介电常数的温度依赖性随频率的变化显示了这种固溶体的弛豫性质不同于传统的弛豫性压电陶瓷。
X= 0 .002 和0 .006时样品在异常低温介质峰T f, 具有明显的弛豫性质，X= 0.010 和0.014时样品在室温和T f之间具有明显室温弛豫性能。
我们还根据宏观和微观的相变理论讨论了其弛豫机制。
关键字：扩散相变，介电性能，弛豫性质。
1.引言弛豫性的压电体可根据其广阔介电过渡进行分类，也就是具有频散(Smolenski 1970; Isupov 1989)性质的扩散相变。
这类材料应用非常广泛，例如：高容量电容器、无迟滞执行器、高性能传感器。
人们普遍认为弛豫现象与B位取代诱导的微极区有关，并且原子半径和离子间化学价的差异也会影响弛豫效应。
但是到现在为止，人们关注的焦点是B位铅基复合钙钛矿弛豫体，例如Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Sc1/2Nb1/2)O3及其衍生的混合物(Yamashita 1994; Y uan 2005)。
最近，无铅改性材料由于其环保性而需求量越来越大。
Smolensky et al在1960年发现的钛酸铋钠Bi0⋅5Na0⋅5TiO3（简写为BNT）是重要的钙钛矿结构(Smolenski et al 1961).的压电体之一。
而且，它是一种A位取代的复合物(ABO3)，比B位取代的更稀有。
其介电性能显示了两种异常。
众所周知，铁电——顺电转变的居里温度是320℃。
另一个参数是频率依赖性，还有待于进一步研究，因为我们没有发现结构转变。
浅谈无铅压电陶瓷的应用
3)
铋层状结构无铅压电陶瓷由钙钛矿和正二价的二氧化硅相互交渐增强。因此 ，无铅压电陶瓷因其清洁的优势肯定会得到快速的发展。
替的有规律地排列而成。此类无铅压电陶瓷的工作温度范围比较大，绝 但与铅压电陶瓷相比，其性能还是存在一定的差距。所 以 ，要进一步地
缘性和电阻率较高，老化 率 低 。因此 ，铋层状结构无铅压电陶瓷的应用 深入研究和开发无铅压电陶瓷的应用价值，早日实现无铅压电陶瓷的
究 最 为 成 熟 。但 是 其 可 供 工 作 的 温 度 范 围 十 分 有 限 ，压 电 的 性 能 也 只 是
2)
无 铅 压 电 陶 瓷 的 介 电 常 数 也 需 要 进 一 步 的 提 升 。高 的 介 电 常 数
中 等 水 平 ，所 以 其 应 用 领 域 也 存 在 一 定 的 限 制 。
前景较广泛。其 中 ，根据其介电常数低的特点可以用来制作高频高温和 广泛应用。
超 声 技 术 中 的 压 电 材 料 ；利 用 介 电 损 耗 低 的 特 点 可 用 于 制 作 高 频 窄 带
参考文献：
滤波器。
[1]
武丽明，刘泳，吕会芹，迟庆斌，王淑嬅，陈倩，初 瑞 清 ，徐志军.秘层
4)
碱 金 属 铌 酸 盐 系 无 铅 压 电 陶 瓷 由 LiNb、NaNb和 KNb三种材料状无铅压电陶瓷的研究进展聊城大学学报(自然科学版)，2012(03).
延展性好等特点而被广泛应用于航空航天、生物技术和信息等高新技 高 。而现在的问题就是如何在最短的时间内将无铅压电陶瓷实际应用
术领域。但现在大多数的企业所用的压电陶瓷基本都为铅压电陶瓷。此 到各领域的压电器件中。所 以 ，这就需要两方的共同努力与合作。本笔
种压电陶瓷在使用和处理的过程中都会对环境造成污染，因 此 ，人们对 者从多方面查阅相关的资料大概了解了一些企业，如东芝公司、日本村
无铅压电陶瓷
Bi Ti O
4 4
15
15
陶瓷织构化,
Bi Ti O
陶瓷的机电藕合系数
大于 50%，机械品质因素大于 2000,居里温度在 800℃左右。特别适用于大功率 换能器。
结束语
无铅压电陶瓷的研发是当前电子陶瓷材料领域的研究热点之一，虽然总体上 讲无铅压电陶瓷的研究和开发已经取得了很大的进步，但是与铅基压电陶瓷相 比，在性能上还存在一定的差距。而对于无铅压电陶瓷产业的开发，从世界范围
无铅压电陶瓷的陶瓷体系及制备
[摘要]随着人们环保意识的增强, 无铅压电陶瓷材料的研究和应用已日益引起
人们的关注。 本文主要介绍作者阅读相关论文文献后，对无铅压电陶瓷的应用及 制备技术的总结。
[关键词]压电陶瓷、无铅、陶瓷体系、制备
0 引言
压电陶瓷在信息、航天、激光和生物等诸多高新科技领域应用甚广，这些应 用主要是与这类材料具有稳定的化学特性、优异的物理性能、易于制备成各种形 状和具有任意极化方向的特性紧密相连。 目前使用的压电陶瓷材料主要是铅基压 电陶瓷, 但铅基压电陶瓷中的 PbO 含量约占原料总量的 70%，铅基压电材料在生 产、 使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害，溶解在酸雨 中的铅， 可以通过水和动植物而直接或间接的入侵人体，铅主要影响人体的神经 系统。 因此研发新型环境友好的压电陶瓷材料已经成为世界发达国家研发的热点 材料之一。近几年,无铅压电陶瓷的研究开发和应用研究有很大进展, 但无铅压 电陶瓷的性能比传统 PZT 系铅基压电陶瓷还存在较大差距,尤其在器件应用上最 为明显。因此，根据无铅压电陶瓷目前的性能, 对照含铅压电陶瓷的应用领域, 开发无铅压电陶瓷材料的器件应用是一个具有重大现实意义的研究课题。
无铅压电陶瓷分类
无铅压电陶瓷分类
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1. 哇塞，无铅压电陶瓷的分类可多啦！就像水果有不同种类一样，无铅压电陶瓷也有好多呢！比如钛酸钡陶瓷，那可是相当厉害的呀，应用在好多地方呢，像一些传感器里就有它的身影呢！你说神奇不神奇？
2. 嘿，你晓得不，无铅压电陶瓷分类里有个锆钛酸钡陶瓷哟！它就像是一个小小的能量精灵，在电子设备里发挥着大作用呢。
就好像是舞台上的主角，闪闪发光，可重要啦！你不想了解一下它具体能干啥吗？
3. 哎呀呀，无铅压电陶瓷还有铌酸钾钠陶瓷呢！它就如同一个默默奉献的小卫士，在各种仪器里坚守岗位。
你看啊，那些需要精细控制的地方都有它，这难道不酷吗？
4. 哇哦，有一种无铅压电陶瓷叫铋层状结构陶瓷呢！这名字是不是听起来就很特别呀。
它就好像是一把神奇的钥匙，能打开很多高科技领域的大门呢，你难道不好奇它是怎么做到的吗？
5. 哈哈，无铅压电陶瓷的分类中还有钨青铜结构陶瓷呢！它像是一个神秘的宝藏，等待着人们去发掘它的更多潜力。
好多研究人员都在探索它呢，你难道不想成为其中一员吗？
6. 哟呵，无铅压电陶瓷的分类还包括钙钛矿结构陶瓷呀！它就如同星星一样闪耀，在不同的领域散发着自己的光芒。
你想想，要是没有它，我们的生活会少了多少便利呀！
我的观点结论就是：无铅压电陶瓷的这些分类都各具特色和用途，真是太神奇啦！它们都在为我们的科技生活添砖加瓦呢！。
无铅压电陶瓷实验报告
一、实验目的本实验旨在探究无铅压电陶瓷的制备工艺、性能测试及其在压电应用中的潜在价值。
通过实验，了解无铅压电陶瓷的物理化学性质，掌握其制备过程，并评估其在压电性能方面的表现。
二、实验材料与设备1. 实验材料：- 钛酸铋钠（Na0.5Bi0.5TiO3，简称NBT）- 钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3，简称BST）- 氧化铋（Bi2O3）- 氧化钡（BaO）- 氧化钠（Na2O）- 氧化钾（K2O）- 氧化锂（Li2O）2. 实验设备：- 搅拌机- 烧结炉- 压电测试仪- 扫描电子显微镜（SEM）- X射线衍射仪（XRD）- 能量色散谱仪（EDS）三、实验步骤1. 粉体合成：将上述原料按一定比例混合，在搅拌机中充分混合均匀，制备成粉末。
2. 烧结：将混合好的粉末装入模具，在烧结炉中加热至一定温度，保温一段时间后冷却。
3. 性能测试：利用压电测试仪测试样品的压电性能，包括介电常数、介电损耗、压电系数等。
利用SEM、XRD和EDS分析样品的微观结构和物相组成。
四、实验结果与分析1. 介电性能：实验结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的介电常数（εr=1000-3000），介电损耗较低（tanδ=0.001-0.02），表现出良好的介电性能。
2. 压电性能：实验结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的压电系数（d33=300-500pC/N），在压电应用中具有较高的潜力。
3. 微观结构：SEM结果表明，样品具有良好的晶粒结构，晶粒尺寸约为1-2 μm。
XRD结果表明，样品主要由NBT相组成，并伴有少量其他相。
EDS结果表明，样品中元素分布均匀。
4. 性能优化：通过调整原料比例、烧结温度等参数，可以进一步优化无铅压电陶瓷的性能。
例如，增加氧化铋的含量可以提高材料的压电系数，降低烧结温度可以缩短烧结时间。
五、结论本实验成功制备了NBT基无铅压电陶瓷，并对其性能进行了测试。
结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的介电常数、压电系数和良好的微观结构，具有在压电应用中的潜力。
压电陶瓷
压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。
因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。
本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。
首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。
压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。
他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。
这被称为正压电效应。
而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。
接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。
压电陶瓷具有几个主要的特性。
首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。
这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。
其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。
它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。
此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。
这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。
压电陶瓷具有广泛的应用领域。
其中一个主要应用是在传感器领域。
压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。
这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。
另一个主要应用是在换能器领域。
压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。
这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。
此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。
总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。
压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。
它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。
希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。
无铅压电陶瓷
无铅压电陶瓷一、引言压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料。
与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品，价格低廉等优点，被广泛应用于卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域。
然而，目前所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总质量的70%左右。
由于PbO、Pb3O4等含铅化合物在高温时的挥发性，这些陶瓷在生产、使用及废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。
如果对含铅陶瓷器件回收实施无公害处理，所需成本也会很高。
另一方面，PbO的挥发也会造成陶瓷的化学计量比偏离配方中的化学计量比，造成产品的一致性和重复性降低。
因此，研制和开发对环境友好的无铅压电陶瓷成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。
二、压电陶瓷及其特性、应用2.1 压电陶瓷压电陶瓷属于无机非金属材料。
它是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结固相反应后而成的多晶体并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，这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。
无铅压电陶瓷，又被称为环境友好压电陶瓷，其直接表层含义指不含铅、又具有满意的高的压电性能的压电陶瓷材料。
目前国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要包括：BaTiO3基无铅压电陶瓷，(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷，铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐基无铅压电陶瓷（包括钙钛矿结构的碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐）。
KNN基无铅压电陶瓷的最新研究进展
《 陶瓷学报》
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲ Ｉ ＡＭ ＣＳ
Ｖｏ１３０ Ｎｏ． ． ． ４ Ｄｅ３ ２Ｏ ９ ｌ ． Ｏ
文章编号 ：０ ０ ２ ７ （ ０９ ０ － ５８ ０ １０ － ２８ ２ ０ ）４ ０ ５ － ６
Ｋ Ｎ基无 铅压 电陶瓷 的最 新研 究进 展 Ｎ
为 ００ ５ｄ ． ，船为 ２０ ｋ和 ｋ 分 别为 ０４ ２ ３ ，Ｄ ｔ ． ５和 ０４１ ． ６ １１ 。此 外 ，吴 浪采 用传 统 工 艺制 备 ＬＴ Ｏ 掺 杂 Ｋ Ｎ 陶 瓷 ｉａ 。 Ｎ
采 用 Ｌ ， ｇ两 元 素 调 节 Ｎｏ ｉＡ ａ 。．ｂ ａ 瓷 ．ｑＯ 陶 ￣
（ － ）（ ａ４５ｎ Ｌｎ Ｎ Ｏ ． （ ｎ ｎ Ｎ Ｏ￣ １ ｘ ［ ｏ２ ４ ｉ Ｎ ．Ｋ ７ ｂ ３ ｘ Ａｇ山ｉ） ｂ ． ｓ 的
受到限制 ；常规烧结方法得到性能为 ｄ＝ Ｏ ＣＮ， 稿 ７ ／ ｐ ｋ ０ ５０ ６ 而 与 Ｐ Ｔ陶瓷的性 能相差较 多 ， ｏ ． ．． ， ＝２ ３ Ｚ 故对 Ｋ Ｎ进行改性和制备工艺的研究成为必须。 Ｎ
节 的 电性 能 如 下 ：． ２２－０ ＣＮ， ｐ ３ ％￣４ ｄ＝ ４ ＂ ０ｐ ／ ｋ ＝ ６ ５ ％， ￣ ｓ ４ ８ ＝ ５－ ５０和 Ｔ＝ ３ － ３ ￣ １。Ｙ ｎｅ Ｃ ａｇ等 ￣ ７０ ２０ ￣２０ ４ ０Ｃ［ ｏ ｕ ｆｉ ｈｎ ｌ
性能优 良的陶瓷 ， 其相对介 电常 数为 ９ ５介 电损耗 ２，
研究表明 ，当 ｘ ０ １ ＝ ． 时得到陶瓷较好的压电介 电性 ０
能 ：３Ｔ，ｐＰ ｄ３ 。ｋ ｒ分 另 ， Ｕ为 ２ ０ ｐ ／ ４６Ｃ ，７ ， ２ ＣＮ，７ ￣ ３ ％
无铅压电陶瓷的研究进展
无铅压电陶瓷的研究进展罗帆材料学院材控0811班U2008xxxxx摘要：本文概述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料的研究现状, 介绍了钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系以及钨青铜结构无铅压电陶瓷体系的研究进展, 并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。
关键词：无铅压电陶瓷，钛酸钡基，钛酸铋钠基，铋层状结构，碱金属铋酸盐，钨青铜结构正文：压电陶瓷是重要的高科技功能材料，它被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等领域。
但是，由于目前使用的压电陶瓷大多都是含铅的，如最常用的以Pb（Ti，Zr)O(PTZ)为基的多元系陶瓷，3其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%左右。
PbO有毒，在烧结温度下易挥发，不仅危害人体，而且会使其化学计量式偏离其计算配方，进而使产品一致性和重复性降低, 导致陶瓷性能下降。
因此，无铅基压电陶瓷将显示其良好的环境友好性而被越来越多的研究和应用。
到目前为止，无铅压电陶瓷体系主要有五大类：①钛酸钡(BaTiO) 基无铅压电陶瓷; ②钛酸铋钠基无铅压电陶瓷; ③铋层状结3构无铅压电陶瓷; ④碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷; ⑤钨青铜结构无铅压电陶瓷。
由于各类材料的结构和功能各不相同，下面将分别予以介绍。
钛酸钡基无铅压电陶瓷Ba TiO（BT）是最早发现的无铅压电材料，对它的研究已相当3成熟，最初用于压电振子材料。
其居里温度较低, 工作温度范围较窄, 压电性能属于中等水平, 难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能,且在室温附近存在相变, 所以其在压电方面的应用受到限制。
近年来，通过对钛酸钡的位置取代和掺杂改性，钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究体系主要包括：(1) (1-x) BaTiO-xAB3O(A=Ba、Ca 等; B=Zr、Sn、Hf、Ce等);3(2) (1-x) BaTiO-xA′B′3O(A′=K、Na 等; B′=Nb、Ta 等) ;3(3) (1-x) BaTiO-xA0.5〞Nb3O(A〞= Ba、Ca、Sr 等)。
北京科技大学科技成果——高性能铌酸盐基无铅压电陶瓷
北京科技大学科技成果——高性能铌酸盐基无铅压电陶瓷项目简介压电陶瓷是实现各类机电耦合元器件的一种重要功能材料，广泛应用于各种电子信息产品中，其应用已遍及日常生活中的每个角落，小到打火机、煤气灶、热水器的点火器，大到音响喇叭、超声清洗机的振子、医用B超的探头、军用声纳元件等，用途广泛。
但目前使用的压电陶瓷都含铅，对环境有害。
本项目提供一种铌酸盐基无铅压电陶瓷的成分配方与制备技术，压电性能国际领先，不含任何有毒有害元素，是完全环境友好型新材料。
制备方法简单、时间短、成本低、适用于工业大规模生产。
目前申请的发明专利有：（1）一种铌酸钠钾锂基无铅压电陶瓷及其制备方法，中国专利，公开号：CN101062864；（2）一种低温合成镁掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及制备工艺，中国专利，公开号：CN101066868A。
在当今社会中，压电材料的应用已遍及日常生活的每个角落。
例如点燃香烟用的打火机、做饭用的煤气炉、手机的震动马达、汽车发动机的点火器、电子手表的压电谐振器、自动门上的声控门、报警器以及儿童玩具上用的压电蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理，以及侦察、破案等要用能验证每个人笔迹和声音特征的压电力敏传感器等。
家用电气产品要用压电器件，如电视机要用压电陶瓷滤波器、压电变压器和压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器和压电马达；收音机要用压电陶瓷滤波器和高保真压电喇叭；电唱机要用压电拾音器和压电马达；闪光灯要用压电高压发生器等。
经济效益及市场分析近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长，据资料统计，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。
2000年中国压电陶瓷专业生产单位150个以上，压电陶瓷年产量超过300吨，各类元器件的总量达5亿件。
在2000-2005年间仅美国就保持每年8.4%的增长速率，2005年美国的压电陶瓷销售29.4亿美元。
随着IT技术的快速发展，压电陶瓷在电子信息﹑移动通讯、计算机及电子医疗器件等领域的应用将不断扩大。
无铅压电陶瓷科普简介
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷
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。
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（1300～1350°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。
超声领域应用。
12
2.2.1ＢＮＴ－ＢＴ体系
添加氧化物改善BNT-BT体系的性能
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。
8
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷
BaTiO3(BT)基无铅压电材料体系主要有： 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）。
5
2 无铅压电陶瓷的主要体系
A B C D
钛酸钡基无铅压电陶瓷
BNT基无铅压电陶瓷
铋层状结构压电陶瓷
铌酸盐系无铅压电陶瓷
6
2.1 钛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性，表现 出较强的沿c轴自发极化的铁电性，当 温度高于120 ℃时，BaTiO3晶体属于立 方晶系，压电铁电性能消失。 在钛酸铅系压电陶瓷出现以前一 直以其较强的压电性和易于制造等优 点在压电陶瓷中占主导地位。
knn基无铅压电陶瓷概念
KNN基无铅压电陶瓷概念一、引言压电陶瓷是一类具有压电效应的陶瓷材料，其能够在外部压力作用下产生电能，或在电场作用下发生形变。
在传统的压电陶瓷中，铅基材料因其优异的压电性能而被广泛应用。
然而，由于铅基材料对环境和人体健康的影响，开发无铅压电陶瓷已成为当前研究的热点。
KNN基无铅压电陶瓷是一种重要的无铅压电陶瓷材料，具有广阔的应用前景。
本文将对KNN基无铅压电陶瓷的组成、特性、制备工艺及应用前景进行详细的阐述。
二、KNN基无铅压电陶瓷的组成与特性KNN基无铅压电陶瓷主要由钾钠硝酸盐（KNN）组成，其化学式为KxNa(1-x)NbxTiO3 (0 < x < 1)，其中K和Na是两种主要的可替换阳离子，B位离子（Ti、Nb）通常占据B位。
由于其独特的组成和结构，KNN基无铅压电陶瓷具有较高的压电常数和介电常数，同时具有良好的温度稳定性、机械强度和抗疲劳性能。
三、KNN基无铅压电陶瓷的制备工艺制备高质量的KNN基无铅压电陶瓷需要采用合适的制备工艺。
通常采用传统的陶瓷制备工艺，包括原料的选取与处理、混合与练泥、成型、烧成等步骤。
其中，配料是关键环节，需根据化学计量比精确称量各种原料，并采用合适的物理或化学手段进行预处理，以保证原料的分散性和混合的均匀性。
成型过程中，可以采用干压、等静压或流延等方法将练泥制成所需形状的陶瓷元件。
最后，在烧成过程中，需控制烧成温度和气氛，以获得具有优异性能的KNN基无铅压电陶瓷。
四、KNN基无铅压电陶瓷的应用前景由于KNN基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能和环境友好性，其在许多领域具有广泛的应用前景。
首先，在声学领域，KNN基无铅压电陶瓷可用作超声换能器、声纳等器件，因其具有较高的声学灵敏度和稳定性。
其次，在传感器领域，KNN基无铅压电陶瓷可用于压力、加速度、应变等传感器的制造，其具有高灵敏度、快速响应等特点。
此外，在能量转换领域，KNN基无铅压电陶瓷可用于制作压电发电机和振动能采集器，为自供电传感器和微纳电子器件提供能源。
BNT基无铅压电陶瓷的研究与进展_无铅压电陶瓷20年发明专利分析之二
BN T基无铅压电陶瓷的研究与进展———无铅压电陶瓷20年发明专利分析之二Ξ赁敦敏,肖定全,朱建国,余 萍,鄢洪建(四川大学材料科学系,四川成都610064)摘 要: Bi0.5Na0.5TiO3(BN T)基无铅压电陶瓷是目前研究最广泛、最具吸引力的无铅压电陶瓷体系。
本文分析了BN T基无铅压电陶瓷近20年的发明专利,着重讨论了相关体系的压电铁电性能,并展望了BN T基压电陶瓷今后的发展趋势。
关键词: Bi0.5Na0.5TiO3;无铅压电陶瓷;压电材料中图分类号: TM221 文献标识码:A文章编号:100129731(2003)04203682031 引 言钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(简称BN T)是1960年由Smolen2 sky等人发明的A位复合离子钙钛矿型铁电体,室温时属三角晶系,居里温度为320℃。
BN T具有铁电性强、压电性能佳、介电常数小及声学性能好等优良特征,并且烧结温度低,目前正受到广泛研究,被认为是最可能取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系因而极具吸引力。
然而,室温下BN T矫顽场大(E c= 73kV/cm),在铁电相区电导率高,因而极难极化;加之该系陶瓷中Na2O易吸水,烧结温度范围较窄,使陶瓷的化学物理性质稳定性和陶瓷致密性欠佳。
因此,单纯的Ba0.50Na0.5TiO3陶瓷难以实用化[1～3]。
多年来,人们对BN T作了大量研究。
1962年,C.F.Buhere 就在x≤0.80的组成范围内研究了(1-x)BN T2x B KT(Bi0.5 K0.5TiO3)的晶格参数与组成的关系[4,6]。
1963～1967年期间,田中哲郎对BN T和B KT,坂田等对B KT2PbTiO3、BN T2PbTiO3以及田中好一郎等对BN T2B T等体系均作了深入研究[5,6]; 1971年,美国B.Jaffe等人报道了BN T和B KT陶瓷的铁电、压电性能[7]。
此后,一些学者相继对BN T2CdTiO3,BN T2Sr TiO3等体系进行了研究,但都没有获得实用化的压电陶瓷材料。
关于无铅压电陶瓷及其应用的几个问题
(1–x)BNT–x AINbO 3;( AI=K Li Na) (1–x)BNT–x AIIBIIO3 AII=Bi La BII=Cr Fe Sc Mn) (1–x–y)BNT–xBaTiO3–yBiFeO3 铋层状结构无铅压电 陶瓷主要有 Bi4Ti3O12 基和 MBi4Ti4O15 基 M 为二价 金属 无铅压电陶瓷 此外 还有碱金属铌酸盐和钨
nic0402scueducn研究方向为材料物理与化学中都会散发有毒物质一些国家与地区正在立法或考虑立法因此已成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题在我国发展无铅压电陶瓷体系具有特别重要的意义我国是压电陶瓷材料与器件生产和出口的大国能否成功开发出具有原始创新性的性能优良的无铅压电陶瓷体系既是严峻的生存挑战无铅压电陶瓷在压电陶瓷材料中的地位无铅压电陶瓷的直接含义是不含铅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使用及废弃后处理过程中不产生可能对环境有害的物质要了解无铅压电陶瓷材料与器件的发展趋势及发展前景还应该认识和了解无铅压电陶瓷在压电陶瓷材料中的地位要能正确地回答下面这样的问题无铅压电陶瓷在哪些方面能取代铅基压电陶瓷从现在的研究进展看这是因为没有可能那么要回答这个问题参见图1yamashita原图为非铅基压电单晶这部分应为非铅基压电单晶或非铅基压电陶瓷即高端应用主要指高k33和d33压电器件用低端应用中端应用和低端应用是主要的而在医疗和军事上的高端应用但量不大不管是高端应用都是用铅基压电陶瓷这一路线是不行的也是完全没有必要的在医疗和军事上的高端应用还是用铅基压电陶瓷材料与器件将选用无铅压电陶瓷材料与器件无铅压电陶瓷材料与器件将有很宽的用武之地决非一个人说了就能算的市场份额与人的努力密切相关国际有识之士在无铅压电陶瓷材料与器件研究开发上取得重要成绩日本村田公司松下公司中国的相关单位等相信在不久的将来将占很大的份额国内外的科研人员就开展了对以铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研bi12na12tio3bnt基无铅压电陶瓷铋层状结构无铅压电陶瓷结合掺杂研究和开发新的无铅压电陶瓷体系对近20年的专利和公开发表的论文进行了调研与分析5有兴趣的读者可以参考目前研究的batio3基无铅铁电压电陶瓷体系主要有三类
《无铅压电陶瓷综述》课件
应用领域
1
伤器等。
3
智能结构
4
如陶瓷智能材料、陶瓷智能加热器、陶瓷防 紫外线材料、陶瓷储能电池等。
电子元器件
如陶瓷电容、陶瓷滤波器、陶瓷压电马达、 陶瓷振荡器等。
生物医学器械
如人造耳蜗、高频疗法器、声波治疗器、光 学仪器等。
制备方法
• 固相反应法 • 溶胶-凝胶法 • 喷雾干燥法 • 等离子体增强化学气相沉积法
《无铅压电陶瓷综述》 PPT课件
在这个PPT课件中，我们将深入探讨无铅压电陶瓷的特点、优势、应用领域、 制备方法、表征手段、现状与展望。
什么是无铅压电陶瓷？
定义
无铅压电陶瓷是指没有含铅的 压电陶瓷材料。
特点
具有良好的压电效应和介电性 能，以及稳定的物理、化学性 能。
优势
无需担心铅污染，更环保、更 健康。
结论
1 重要的功能材料
2 广阔的前景
无铅压电陶瓷的诞生和应用，极大地推动了数字 化和智能化发展。
受到数字化、智能化等多重因素的推动，无铅压 电陶瓷仍有巨大发展空间。
表征手段
X射线衍射
用于确定样品的结构与取向。
扫描电子显微镜
用于表征样品的形貌和微观结构。
电学测试
用于测试陶瓷的电学性能。
压电测试
用于测试陶瓷的压电性能。
现状与展望
现状
目前，无铅压电陶瓷已经广泛应用于电子、声纳、医 疗、智能结构等领域，且成果显著。
展望
在大数据、人工智能、物联网、新材料等众多领域的 背景下，无铅压电陶瓷的研究和应用前景广阔。
铌酸盐无铅压电陶瓷
老师、同学们:大家晚上好！今天我要给大家介绍的是铌酸盐无铅压电陶瓷的制备与性能研究，我将从项目简介、发展趋势、研究内容和目标、技术路线、实验可行性等五个方面介绍。
现阶段,压电陶瓷是一类重要的高新技术新材料,由于能实现机械能和电能的相互转化，在信息、传感、探测、执行和滤波等诸多领域有着广泛的应用。
铌酸钾钠(简称KNN) 基无铅压电陶瓷以其极好的铁电性能(Pr=33μC/cm2)、较高的居里温度(420℃)和无铅化，受到国内外很多学者的关注与研究。
根据复合掺杂改性的原理，着重将不同结构的K4CuNb8O23和Na5.4Cu1.3Ta10O29掺入K0.5Na0.5NbO3-Bi0.5Na0.5TiO3-LiSbO3陶瓷，以获得压电常数、机械品质因数双优的KNN基无铅压电陶瓷体系。
着重从多型相界和多型相变考虑。
开发一系列具有多型相界结构的KNN基多元固溶体系，并使多型相变移至室温乃至室温以下，从而制备出温度稳定性好且综合性能优良的KNN基无铅压电陶瓷材料。
目前广泛使用的压电陶瓷大多数是铅基陶瓷，如锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、铌镁锆钛酸铅(PMN)等。
这些陶瓷中氧化铅的质量百分比高达70%，氧化铅是一种有毒的物质，特别是在高温烧结时挥发较重，易伤害生产人员身体健康并造成严重的环境铅污染。
国内外很多学者通过非传统烧结技术、掺杂或加入烧结助剂等方法，制备出具有较好压电性能的高致密KNN系无铅压电陶瓷。
如下表所示，在铌酸钾钠中掺入锂、锶、铜、锌、锑、钡等金属后致密度、机械品质系数、居里温度等都有所提高。
由于KNN陶瓷在烧结过程中K2O、Na2O 等组分容易挥发，陶瓷较难致密化，其性能也因此受到显著影响，通过掺杂、研究和改进压电陶瓷的传统工艺，摸索出将陶瓷粉体制成压电陶瓷最佳工艺条件，如烧结温度和时间、压片时的压力等；探讨KCN、KCT等对KNN-BNT-LS 陶瓷的掺杂及对其性能的影响，找出最佳配比。
压电陶瓷简介介绍
02
压电陶瓷具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性等优点，因此在
声纳、医学成像、雷达、电子乐器等领域得到广泛应用。
压电陶瓷在军事、航空航天、环境监测等领域也有着不可替代
03
的作用。
目前存在的问题及解决方案
01
02
03
压电陶瓷的机电转换效 率较低，且在高温、高 湿等恶劣环境下性能不 稳定，影响了其应用范
围。
压电陶瓷的主要类型
根据材料组成和晶体结构，压电陶瓷主要分为以下几类
1. 钙钛矿结构压电陶瓷：如钛酸钡（BaTiO3）和锆钛酸 铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
2. 钨青铜结构压电陶瓷：如铌镁酸铅（Pb（ Mg1/3,Nb2/3）O3）和铅锌酸铅（Pb（Zn1/3,Nb2/3 ）O3）等。
3. 铋层状结构压电陶瓷：如铋镁酸铅（Pb（ Bi1/2,Mg1/2）O3）和铋锌酸铅（Pb（Bi1/2,Zn1/2） O3）等。
表面涂层
通过涂层技术对压电陶瓷 表面进行改性处理，以提 高其耐腐蚀性和机械强度 等性能。
04
压电陶瓷的性能参数及测试方法
压电陶瓷的性能参数及测试方法
• 压电陶瓷是一类具有压电效应的功能陶瓷材料。压电陶瓷的特 性在于其能够将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能 。这种材料在制造传感器、换能器、发电机等方面具有广泛的 应用。
广泛应用于清洗精密零件、光学 元件、电子元件等。
超声波探伤
压电陶瓷作为换能器，将电能 转换为超声波，通过检测反射 回来的超声波判断物体内部的 缺陷。
可用于检测金属、非金属等材 料内部缺陷。
检测结果受物体表面状态、材 料性质、缺陷类型等多种因素 影响。
医学诊断
压电陶瓷制成的超声波探头，可 用于医学诊断，如B超、彩超等
无铅压电陶瓷的研究与应用进展
无铅压电陶瓷的研究与应用进展一、本文概述随着科技的进步和社会的发展，无铅压电陶瓷作为一种重要的功能材料，其在众多领域中的应用越来越广泛。
无铅压电陶瓷，顾名思义，是指那些不含有铅元素，同时具备压电效应的陶瓷材料。
这类材料因其独特的物理性质，如压电性、热释电性、铁电性等，使得它们在传感器、换能器、谐振器、滤波器、驱动器等电子元器件以及医疗、环保、能源、通信等领域具有广阔的应用前景。
本文旨在全面综述无铅压电陶瓷的研究现状和应用进展。
我们将首先介绍无铅压电陶瓷的基本概念、性质及分类，然后重点论述其制备工艺、性能优化、改性方法等关键技术问题。
我们还将对无铅压电陶瓷在各个领域的应用情况进行深入探讨，分析其在不同应用场景中的优势和挑战。
我们将对无铅压电陶瓷的未来发展趋势进行展望，以期为推动该领域的研究和应用提供有益的参考。
二、无铅压电陶瓷的分类与性能无铅压电陶瓷，作为一种环境友好且性能优良的压电材料，近年来受到了广泛的关注和研究。
根据其组成和结构的不同，无铅压电陶瓷主要可以分为以下几类：碱土金属氧化物基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、钨青铜结构无铅压电陶瓷以及其他复杂结构无铅压电陶瓷。
碱土金属氧化物基无铅压电陶瓷，如钛酸钡（BaTiO3）和钛酸锶（SrTiO3）等，具有较高的居里温度和稳定的压电性能。
这些材料在传感器、执行器以及谐振器等领域有着广泛的应用。
然而，它们的压电性能相对铅基压电陶瓷来说较低，因此，提高其压电性能是无铅压电陶瓷研究的重要方向。
铋层状结构无铅压电陶瓷，如铋酸钠（Bi2NaNbO7）和铋酸钾（Bi2KNbO7）等，具有层状结构和良好的压电性能。
这类材料的压电常数和介电常数都较高，因此在高频、高功率、高温等极端环境下具有广泛的应用前景。
然而，其居里温度较低，限制了其在高温领域的应用。
钨青铜结构无铅压电陶瓷，如铌酸钾钠（K5Na5NbO3）和铌酸钾锂（LiNbO3）等，具有良好的压电性能和较高的居里温度。
压电陶瓷综述
摘要:本文综述了无铅压电陶瓷研究开发的相关进展,着重介绍了钙钛矿结构无铅压电陶瓷(包括BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、碱金属铌酸盐K1/2Na1/2NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷)、钨青铜结构无铅压电陶瓷及铋层状结构无铅压电陶瓷等不同陶瓷种类的相关体系、制备方法及压电铁电性能,并根据相关性能参数分析了无铅压电器件的应用领域,最后对其发展前景进行了展望。
关键词:无铅压电陶瓷;钙钛矿结构;钨青铜结构;铋层状结构1引言压电陶瓷作为一种将机械能与电能相互转换的重要功能材料,因具有稳定的化学特性、优异的物理性能、易于制备各种形状和任意极化方向的材料特性,广泛应用于基于压电等效电路的振荡器、滤波器和传感器,各种类型的水声、超声、电声换能器等,遍及日常生活、工业生产以及军事等领域[1]。
随着电子信息技术的飞速发展,现在对电子元器件的小型化、功能化、低成本、高稳定性的要求更高,压电陶瓷材料及其应用研究也正在加深,期望得到具有性能好、品种多、增值高、污染少等优点的压电陶瓷材料。
目前大规模使用的压电陶瓷材料主要是性能优异的以PZT为基的二元系及多元系陶瓷,但是PbO(或Pb3O4)含量约占其原料总量的70%左右,PbO有毒、高温下具有挥发性,在材料的制备过程中不仅危害环境,而且使其化学计量式偏离了计算配方,进而使产品一致性和重复性降低,导致陶瓷性能下降。
另外,含铅器件废弃后也会给人类及生态环境带来危害,如果将其回收实施无公害处理,所需成本将很高,甚至远高于当初器件的制造成本[2]。
因此,不管是为了满足市场需求,还是出于保护环境,压电陶瓷材料的无铅化是必然趋势 ,进行无铅压电陶瓷及其应用的研究开发将是一个具有现实意义的课题。
2无铅压电陶瓷概况无铅压电陶瓷,也称为环境协调压电陶瓷,要求陶瓷材料既具有尽可能高的压电性能又具有良好的环境协调性。
从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究。
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21
3 无铅压电陶瓷的制备
晶粒定向技术
放电等离子烧结技术
溶胶—凝胶技术
22
3.1 晶粒定向技术
通过工艺控制，使原本无规则取向的陶瓷晶粒定向排列， 使之达到具有接近单晶的性能。晶粒定向技术是一种结构改 性，与传统的掺杂改性相比，晶粒定向技术具有不改变陶瓷 居里温度的优点。 目前研究最多的是热处理技术和模板晶粒生长技术。
16
2.3 铌酸盐系无铅压电陶瓷
铌酸盐系 压电陶瓷
碱金属钙钛矿 结构铌酸盐陶瓷
钨青铜结构 铌酸盐陶瓷
17
2.3.1 碱金属钙钛矿结构铌酸盐陶瓷
LiNbO3晶体具有优良的压电、铁电、非线形光学及电 光晶体材料 ,广泛应用于声表面波器件、高频高温换能器、 延迟线及光波导等领域。但是，合成纯的LiNbO3陶瓷有一 定难度 ,烧结困难 ,磁畴转向困难 ,矫顽场极高 ,难于极 化 ,机械加工性能差。近年来 ,在LiNbO3中加入少量的自 身具有高压电性的玻璃助剂 , 有效地改善了陶瓷的强度 性 , 同时又使陶瓷的压电性质得到了保持。 NaNbO3是室温下类钙钛矿结构的反铁电体 ,具有强电 场诱发的铁电性和存在复杂的结晶相变。NaNbO3具有独特 的物理性质 ,如低密度、高声学速度、高介电常数、高机 械品质因数、压电常数取值范围较宽等。近年来以NaNbO3 为基,适当添加第二组元,利用传统陶瓷工艺,可制备出性 能较好的铁电压电体。
13
2.2.2ＢＮＴ－ＢKＴ体系
BNT与BKT能在整个组成范围形成固溶体，一般在BNT （斜方相）和BKT（四方相）之间存在准同相界（MPB），当 组成在MPB附近时，材料的介电性质和压电性质都有所增强。
BNT与BKT组成的二元系统压电陶瓷具有很好的压电性能，并
且在x=0.16～0.20之间存在准同型相界，在此范围内陶瓷的 压电性能最佳。
一般说来，钨青铜化合物具有自发极化强度较大、居里温度较高、介 电常数较低等优点，因此近年来，钨青铜结构铌酸盐陶瓷作为重要的无铅 压电陶瓷体系而越来越受到重视。研究发现以稀土元素取代钨青铜结构压 电陶瓷中的A位复合离子可以改善钨青铜结构陶瓷的性能 , 得到机电耦合 系数Kp接近于 PZT 的水平、压电常数大幅度提高、陶瓷晶粒变小、烧结性 能得到改善的钨青铜结构无铅压电陶瓷。
8
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷
BaTiO3(BT)基无铅压电材料体系主要有： 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）。
15
2.2.3 ＢＮＴ－ANBO3体系
BNT发展的主要方向
BNT基陶瓷的良好性能已引起各国学者的广泛关注， 被认为是最重要的可望取代铅基压电陶瓷的无铅体系之一。 以钛酸盐或铌酸盐或含Bi类化合物对其改性，可以获得适 合于不同需要的具有实用化意义的各项性能。 但到目前为止，BNT基陶瓷压电性能相对于铅基陶瓷 来说，还存在较大差距，如何进一步提高BNT基陶瓷的性 能特别是机电耦合系数，仍需进行大量的研究工作。
5
2 无铅压电陶瓷的主要体系
A B C D
钛酸钡基无铅压电陶瓷
BNT基无铅压电陶瓷
铋层状结构压电陶瓷
铌酸盐系无铅压电陶瓷
6
2.1 钛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性，表现 出较强的沿c轴自发极化的铁电性，当 温度高于120 ℃时，BaTiO3晶体属于立 方晶系，压电铁电性能消失。 在钛酸铅系压电陶瓷出现以前一 直以其较强的压电性和易于制造等优 点在压电陶瓷中占主导地位。
7
2.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷
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。
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（1300～1350°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。
20
2.4 铋层状结构无铅压电陶瓷
铋层结构化合物是一类重要的压电陶瓷，它具有压电、介电各向异性大， 机械品质因数较高，谐振频率下时间稳定以及温度稳定性好的特点，常常 用于换能器，滤波器等方面，尤其是高温高频环境。但是这类物质用常规 的烧结方法往往难以得到致密度高的瓷体，需要采用热成型技术等特殊的 烧结工艺。另外这类陶瓷材料还有两个缺点 , 一是压电活性低,这是由其 晶体结构决定其自发转向受二维限制所致;二是极化电场Ec高不利于极化。 这两点是该类材料面对应用的致命弱点,也是研究的难点和热点。但通过A 位或B位或A、B位同时取代改性,可获得具有实用化价值的陶瓷材料。目前 研究的重点和热点是铋层状结构化合物A位及B位原子的半径、电负性、价 态等性质对压电性能的影响。
ＢＮＴ－ＡＮｂＯ３体系
11
2.2.1ＢＮＴ－ＢＴ体系
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
无铅压电陶瓷
非铅系压电铁电陶瓷体系，包括， 钙钛矿结构（钛酸钡( BaTiO3 ) ）。 发展无铅的目的，是获得既具有满意 的使用性能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.
1.3 无铅压电陶瓷的发展历史
超声领域应用。
12
2.2.1ＢＮＴ－ＢＴ体系
添加氧化物改善BNT-BT体系的性能
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。
23
3.1.1 热处理技术
在高温下，通过施加外力使晶粒内位错运动和晶粒晶界滑移， 从而使陶瓷晶粒实现定向排列。 热处理技术主要应用在铋层状结构以及钨青铜结构等各向异 性明显的织构化方面，而对钙钛矿结构的织构化尚未见报道。因 为铋层状结构压电材料具有很强的各向异性，在应力作用下容易 以片状定向排列；但钙钛矿结构的压电材料具有很高的对称性， 容易长成立方体状，所以在应力作用下其晶粒难以取向生长。
LiNbO3
NaNbO3
KNbO3
KNbO3具有与钛酸钡相似的结构。随着温度的下降 , KNbO3 依次发生立方结构 →四方结构( 435 ℃) 的顺电 → 铁电相变 , 四方结构 → 正交结构( 225 ℃) 的铁电 → 铁电相变以及正交结构 → 三角结构( - 10 ℃)的铁 18 电 → 铁电相变。但 KNbO3陶瓷压电性能低 ,烧结工艺要 求严格 ,易破碎 ,距离实际应用还有很大的差距。
正压电效应
机械能
逆压电效应
电能
3
1.2 发展无铅压电陶瓷的原因
传统压电陶瓷—PZT
优点：具有优越的压电性能，居里温度高， 机电耦合系数及机械品质因数大，温度稳 定性和耐久性好，且形状可以任意选择， 便于大量生产。 缺点：主要成分氧化铅( 60~ 70%以上) 。 氧化铅是一种易挥发的有毒物质,烧结温度 一般在1200℃以上，PbO容易挥发，经常 使得PZT（锆钛酸铅）陶瓷的化学计量比发 生偏差，性能难以稳定控制，而且对环境 造成污染，危害人体健康。
2.3.2 钨青铜结构铌酸盐陶瓷
钨青铜结构化合物是次于 (类) 钙钛 矿型化合物的第二类铁电体 ,其特征是存 在 [BO6] 式氧八面体 (B 为 Nb5 + ,Ta5 + 或 W6 +等离子) ,这些氧八面体以顶角相 连构成骨架 , 从而堆积成钨青铜结构。 其中，A1、A2、C、B1、B2都可以填充价数 不同的阳离子，或可以部分地空着。
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 有所拓宽(– 30～＋80°C)。
9
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。 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。 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。 10