无铅压电陶瓷

无铅压电陶瓷

摘要：锆钛酸铅系（简写PZT）含铅陶瓷是目前广泛使用的高性能压电陶瓷，

然而其对人类和自然会造成长期危害。本文综述了替换材料无铅压电陶瓷的研究进展，包括锆钛酸钡(BZT)基、钛酸铋钠(BNT)基、铌酸钾钠(KNN)基、铋层状结构和钨青铜结构五类无铅压电陶瓷的性能，并分析制备方法和掺杂改性对无铅压电陶瓷的性能的影响，为改进工艺提高压电性能提供理论依据。

关键词:无铅压电陶瓷；压电性能；锆钛酸钡；钛酸铋钠；铌酸钾钠; 铋层状结构；钨青铜结构

Abstract:Leaded ceramic is widely used because of its high-performance piezoelectric so far. However, it can cause long-term hazards to human and natural. The research development of lead-free piezoelectric ceramics is briefly introduced，and the performance of BZT,BNT, KNN, and bismuth layered lead-free piezoelectric ceramics are mainly introduced, and the effects of different modification methods on piezoelectric performance on them are analyzed. It will provide theoretical supports to improve the piezoelectric properties.

Keywords:lead-free piezoelectric ceramic; piezoelectric performance; BaTiO3; Bi0.5Na0.5TiO3; NaNbO3; Bi-layer structure;tungsten bronze structure

一、引言

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，属于无机非金属材料[1]。压电陶瓷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材料的特性，而广泛应用在各个领域。然而，目前广泛使用的高性能压电陶瓷是含铅陶瓷，以锆钛酸铅（PZT）为代表的铅基陶瓷以其在准同型相界（MPB）附近极强的铁电、压电、机电性、高居里点（T C）和良好温度稳定性等，始终统治压电陶瓷世界市场[2]。然而在高温烧结或加工时易挥发一种有毒的物质PbO，生产出来的陶瓷在生产、使用及废弃过程中会对人类社会和自然界造成长期危害[3]。

因而替代材料无铅压电陶瓷正在如火如荼的开展。目前无铅压电陶瓷体系大致可分为钙钛矿系、铋层状结构系和钨青铜系。钙钛矿系无铅压电陶瓷包括BaTiO3(BT)系、钛酸铋钠(BNT)系、铌酸钾钠(KNN)系无铅压电陶瓷。其中，BT 基钙钛矿无铅体系以其优异的压电、铁电和介电性成为近年来研究最多、发展潜力最大的无铅体系之一。目前现在研究主要从两方面来改善无铅压电陶瓷材料的压电性能，一是通过不同的制备方法和制备工艺来提高压电性能；二是通过材料组分的掺杂改性来提高材料的压电性能。

二、无铅压电陶瓷体系

1、BaTiO3基无铅压电陶瓷体系

BaTiO3是最早发现的一种具有ABO3型钙钛矿晶体结构的典型铁电体，具有很高的介电常数、较大的机电耦合系数、中等的机械品质因数和较小的损耗。由于BaTiO3具有铁电、压电、介电、热释电和光电性能而广泛应用于陶瓷电容器、绝缘子、介质放大器等。其在120 ℃以上为立方相（P m3m），无铁电和压电性。温度诱导的结构相变为多晶相转变（PPT)，BT 有三个PPT，分别在130℃、5℃和-90℃时，发生立方-四方（C-T）、四方-正交（T-O）和正交-三方（O-R）相变。早期制备的BT 陶瓷的压电性中等（d33～190 pC/N）、T C偏低（～130 ℃）、工作温区狭窄、Ts偏高（> 1300 ℃）等使其很难直接取代铅基压电陶瓷[5]。随着对BT基无铅压电陶瓷研究的不断深入，离子取代、引入新组元和采用新制备技术已成为研究BT基无铅压电陶瓷改性的新方法。

由于晶粒尺寸对钛酸钡压电陶瓷的铁电性能有很大的影响，因此当钛酸钡陶瓷的晶粒尺寸不同时，钛酸钡的晶体结构、铁电性能等有很大的不同。吴思华等研究表明，对于粗晶钛酸钡，如Ba(Ti1-x Zr x)O3基压电陶瓷的d33可达340pc/N(室温可达300 pc/N)，并且工作温区有所拓宽。而高礼杰等研究，对晶粒尺寸在0.45-2.2um范围的ＢＴ无铅压电陶瓷的研究显示，在尺寸在1.2um时，室温的介电常数达到最大值（4143）。当晶粒尺寸小于1.2μｍ时，随晶粒尺寸的减小，介电常数迅速减小[4]。

2010 年，李敬峰等人分别用火花等离子体烧结法（SPS）和固相反应法获得d33=416pC/N 和193 pC/N的BT 陶瓷，指出其d33强烈依赖于电畴尺寸[5]；2012 年，任晓兵等人发现BaTiO3-xBaSnO3陶瓷在室温附近C-T-O-R 四相共存的MPB组分的室温εr= 75000，d33= 697 pC/N，并结合朗道模型提出其强压电性和强介电性来自其四相共存使极化反转和应变势垒能降到最小[6]；目前，高T C 和宽温区稳定强压电性是BT 基无铅陶瓷改性研究的重点和难点所在。

2、钛酸铋钠(BNT)系无铅压电陶瓷

(Bi0.5Na0.5)TiO3（BNT）是1960 年Smolensky 等人发现的一种 A 位复合钙钛矿结构弛豫铁电体，室温为R 相，R3c 点群，T C= 320 ℃，具有较强的铁电性（Pr= 38uC/cm2）、较大k t（40-50 %）、较低εr（240 - 524）、低Ts（< 1200℃）和较好的声学性能等，但其很难直接应用，因为其合成温区狭窄，原料Na2O 易潮解且高温挥发严重使其致密度偏低，其较大E C（～73 kV/cm）和Bi 挥发导致的高电导率使极化困难、d33偏低、tanδ较大。另外，升温时BNT 陶瓷呈现复杂的相变，T > 320 ℃其为立方相，T < 200 ℃其为三方相，在200 - 320 ℃晶体中T-R 共存且呈弥散相变，退极化温度较低（T d= 187 ℃），部分文献把其T d 归因于该温区反铁电相出现，也有部分文献认为该温区出现的中间相不一定全是反铁电相，还有待进一步的研究。目前，BNT 基陶瓷的改性研究主要集中在用离子掺杂、添加助烧剂、引入其他组元固溶等将PPT 移至室温附近或构建MPB 以降低E C、提高d33。如BNT 陶瓷中Ca、Ba、Mn、Pb 和Sr 等掺杂可有效降低其EC，增强压电性。

Fu Peng 等[4]制备了La2O3掺杂BNBT6陶瓷，研究表明，当掺杂0.6%的La2O3时，(Bi0.5Na0.5)0.94-Ba0.06TiO3（BNBT6）陶瓷的压电常数d33达到了167Pc/N，机电耦合系数达到0.30.介电常数达到1470，当掺杂量为0.4%时，制备的压电陶瓷的压电性能最好，其中d33=175Pc/N，k p=0.31，Q m=118，此时晶粒的边界也很明