压电材料的制备应用及其研究现状.

压电材料的制备应用及其研究现状

马瑶

（中南大学材料科学与工程学院材料1102班 0607110203，湖南长沙）

摘要:从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。针对不同

压电材料在生产实践中的应用情况,列出现

阶段压电材料的制备技术。综述了近年来压

电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料

在各个领域的应用和发展。

关键字：压电材料; 压电效应; 制备技术; 应用；发展

1引言

随着高新技术的不断发展, 作为促进现

代社会进步三大支柱之一的新材料技术业已

成为世界各国学者们争相探索和研究的热点

领域。特别是进入本世纪七十年代以来, 由

于电子技术、通讯和控制技术等高技术含量

行业的迅速崛起,要求材料的功能化、器件的小型化、结构的智能化程度越来越高,使智能材料的研究更加受到人们的青睐。有人预言, 二十一世纪的新材料技术将是以智能材料为

代表的时代, 因此,开展智能材料的研究具

有十分重大的战略意义。智能材料与结构是

一类具有传感、驱动和控制功能于一体的材

料系统,它具有类生物的功能,通过自身的感

知和驱动属性,实现材料驱动功能与智能化; 通过感知与响应内外界环境的变化,达到自

适应的目的。目前,可作为智能材料系统中的执行材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、磁致伸缩材料和电流变体等; 可作为传感材料的主要有压电材料、光纤系统及其它各类特性的传感器材料,其中压电

材料能够自适应于环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化,具有集传感、执行和控制于一体的特有属性,是智能材料系统中的

主导材料[1]。

2压电材料概述

2.1压电效应

压电体，即在受外力情况下可产生电荷（正压电性）或在受外电场情况下可产生形变（逆压电性）的电介质体。1880 年，法国著名科学家雅克·居里和皮埃尔·居里在对石英晶体的研究过程中首次发现正压电效应。不久之后，二人通过理论分析及实验测试证实了逆压电性的存在。在第一次世界大战中，法国物理学家朗之万利用石英晶体研制出第一个水声压电换能器。随着压电研究的不断深入，目前压电材料被广泛应用于水声换能器、医用B超探头、超声马达、石油测井探测器、无损检测（NDE）以及压电驱动

器等领域[2∼4]。

根据晶体结构学可知，一种晶体具有压电性的必要条件是该晶体晶格结构不存在对称中心[4]。由此，自然界中32种不同晶体点群有20 种晶体点群具有压电性，这其中又有10 种点群具有自发极化。自发极化是指晶体在不受任何外场作用下，由于晶胞固有偶极矩周期性排列所造成的晶体宏观极化强度。

2.2压电材料类别

第一类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。

第三类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。

3压电材料的制备方法

3.1无机压电材料块体的制备工艺

要制备块体压电材料,首先要制备压电

材料粉末,然后在压力机下预压成坯体,分别在650 ℃和 850 ℃预烧 2h,再研磨粉碎。在这里主要有2种方法形成块体。

(l) 把粉末装人所需要形状的模具内

加人PVA,在压力机下或采用等静压加

l00MPa压力制成圆片(注意:圆片的直径与厚度之比大于10),再把圆片放人刚玉板上,在圆片的周围撒一些践仇粉末,然后用刚玉增

祸覆盖圆片(目的是使挥发的Pb在刚玉柑祸内形成保护气氛,从而减少配比中Pb的损

失 );或者在称量时多称量计算质量5 %(一般在做实验时,上述2种方法都采用),一起

放人高温炉中缓慢加温至4阅℃左右(除去PVA),保温0.5h,然后加温到12(X) ℃下保

温2h。随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。

(2)把装有粉末的模具放人热压炉中加

压烧结(保护Pb的损失可采用上面提到的方法),当加温到12℃下保温 2h。随炉自然冷却就得到块体无机压电材料。

制备压电材料粉末主要有以下3种方法:

(l) 直接混合球磨法以 PZT为例。将氧化铅、氧化错和氧化钦按一定摩尔比和一定量的无水乙醇(在实验室一般使用无水乙醇,目的是使粉料充分混合和渗透到磨细的颗粒表面,降低粉料的表面能,从而使颗粒不在团絮成大颗粒;在工业生产中,为了降低成本,可以使用蒸馏水代替无水乙醇,作用与无水乙醇一样,唯一的区别是无水乙醇能很快蒸发掉 )加人球磨机中混匀后,在研钵中研磨使无水乙醇挥发。

(2)共沉淀法其基本原理是利用金属离子水解,再将水解的产物与其他离子反应。精确控制沉淀条件可使溶液中的各种金属离子同时沉淀,然后将它们加热分解,生成复合金属氧化物的纳米粉末。

(3)溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是一种借助于胶体分散的制备方法。由于胶体粒径都在几十纳米以下,且十分稳定,可以使各种金属离子均匀稳定地分布其中。胶体经脱水后就变成凝胶,从而获得纳米粉[6,7]。

以PbTiO3为例,首先将含有结晶水的醋酸铅在80℃下脱水 24h,冷却后把醋酸铅溶解在甲醇当中,然后在搅拌条件下滴于钦酸四丁醋形成淡黄色透明溶液,再加人适量水搅拌生成透明溶胶,放置3一5天使其发生水解一聚合反应,将凝胶在130℃条件下干燥

8h,经研磨过筛,得到干胶粉末,最后分别在350℃和600℃温度下热处理2h,即可得到粒度在10一20nm之间的高纯度的PbTiO3陶瓷粉末[9]。

3.2无机/聚合物压电复合材料块体的制备

自从1978年美国宾州州立大学材料实

验的R.E.Newnham首先提出简单立方模型和符号[6]。复合材料中所含有相可以用O,1,2

或3维方式自我连通。如果复合材料山2个分量相组成,可以有10种连通方式,即0-0) 于0-1,0-2,O-3,l-l,l-2,l-3,2-2,2-3,3-3。符号的第1个数字代表陶瓷压电相的连通维数,第2个数字代表聚合物相的连通维数[6]。根据上述结构,研究得最多的0-3, 1-3, 2-2, 3-3。

3.2.1 0一3型

这种结构压电陶瓷/聚合物复合材料在

三维互连的聚合物中填充压电陶瓷颗粒而形成的压电复合材料。主要有以下几种制备方法:

(l)热压法将PZT粉与PVDF粉末相混合,加入适量的溶剂搅拌均匀,待有机溶剂完全挥发后,将混合粉料加入XQ-2金属镶嵌机中,在180 ℃左右热压成型,自然冷却至室