鐵電材料壓電特性的研究現(xiàn)狀[精選]

1、鐵電材料壓電特性的研究現(xiàn)狀摘要鐵電材料包含鐵電、壓電、介電、熱釋電等性質(zhì)。所有鐵電材料都同一時刻擁有鐵電和壓電兩種性質(zhì)。鐵電材料的壓電性廣泛應用于壓電陶瓷上，壓電陶瓷具有很重要的不可替代的作用，應用最廣泛的壓電陶瓷有pzt（鋯鈦酸鉛）。但是其含有的pbo對人體和環(huán)境有害，所以無鉛壓電陶瓷的開發(fā)有重要意義，并且目前該產(chǎn)業(yè)的開發(fā)趨向就是無鉛壓電陶瓷。本文大致描述了鐵電材料壓電特性的發(fā)展歷程和目前的研究成果，詳細概括了幾種壓電性鐵電材料的特點研究進展和應用領域最后綜述了壓電材料在未來需要攻克的難題和對未來發(fā)展的展望。關鍵詞鐵電材料壓電材料壓電特性壓電陶瓷無鉛壓電陶瓷research status o

2、f piezoelectric properties of ferroelectric materialsabstractferroelectric materials include ferroelectric, piezoelectric, dielectric, pyroelectric and so on.all ferroelectric materials have both ferroelectric and piezoelectric properties.the piezoelectricity of ferroelectric materials is widely use

3、d in piezoelectric ceramics,piezoelectric ceramics has a very important irreplaceable role,the most widely used piezoelectric ceramics are pzt.but it contains the pbo harmful to the human body and the environment,so the development of lead-free piezoelectric ceramics is of great significance,and the

4、 current trend of the development of piezoelectric ceramics industry is lead-free piezoelectric ceramics.this paper describes the development of piezoelectric properties of ferroelectric materials and the current research results,this paper introduces the research progress and application field of t

5、he piezoelectric properties of several ferroelectric materials in detail.finally, the paper summarizes the problems of piezoelectric materials in the future and the prospect of future development.key wordsferroelectric materialspiezoelectric materialspiezoelectric characteristicspiezoelectric cerami

6、cslead - free piezoelectric ceramics目 錄第1章 引言1第2章 壓電特性的原理3第3章 鐵電材料壓電特性的研究53.1 pzt的壓電性能及改性研究53.1.1 通過摻雜改變壓電性能63.1.2 采取特別的制作方法提高壓電特性63.2 無鉛壓電陶瓷73.2.1 鈦酸鋇基（bt）壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀73.2.2 鈦酸鉍鈉基(bnt)無鉛壓電材料的改性研究83.2.3 堿金屬鈮酸鹽（k1/2na1/2）nbo3，knn）系無鉛壓電陶瓷9結(jié) 論12致 謝13參考文獻14第1章 引言20世紀20年代年法國人valasek在羅謝爾鹽中發(fā)現(xiàn)了鐵電效應，這是鐵電材質(zhì)研發(fā)的開始

7、。1935年busch發(fā)現(xiàn)了磷酸二氫鉀，它的相對介電常數(shù)在30左右，比當時的其他材料高出很多。20世紀40年代年，batio3等含有鈣鈦礦構(gòu)造的鐵電材料相繼被發(fā)現(xiàn)，這一年在鐵電材料歷史上是重要意義1。1980年以后，鐵電唯象和軟膜理論滿滿的健全，鐵電晶體的研發(fā)逐漸固定下來。1985年，完善了薄膜制備技術(shù)，但是傳統(tǒng)鐵電體在尺寸上不能達到微型器件的預期，于是鐵電體和半導體組合，研發(fā)工作人員們開始研究集成鐵電體。鐵電材料的物理特性很廣泛，包括鐵電、壓電、介電、熱釋電等特性以及光電、聲光、非線性光效應，主要用來制作鐵電以及光電存儲器和電容器件等，鐵電材料寬廣的開發(fā)景象使其受到很多關注。鐵電材料可以既具

8、有鐵電性又具有壓電性。鐵電性是說材料在特定溫度下發(fā)生自發(fā)極化。壓電性是說它能在機械能和電能之間互換。居里兄弟在1880年發(fā)現(xiàn)石英晶體中的壓電效應之后，快速進行了壓電材料的研發(fā)。壓電陶瓷的平穩(wěn)的化學性質(zhì)、良好的物理性質(zhì)、容易變性和極化的性質(zhì)使它在振蕩器、濾波器、傳感器、電聲轉(zhuǎn)換器等方面得到了開發(fā)。壓電陶瓷的開發(fā)領域滲透了平常生活、工業(yè)和軍事的生產(chǎn)2。鋯鈦酸鉛（pzt）的優(yōu)秀壓電特性是1954年美國的jaffe等發(fā)現(xiàn)的，之后將近30年，pzt都是最受歡迎的壓電材料。由于電子新興產(chǎn)業(yè)的推動，大家對壓電材料的期望值一點點提高，所以研發(fā)多元壓電材料以取代二元pzt3。一元系壓電陶瓷有鈦酸鉛（pbtio3

9、）系壓電陶瓷和鋯酸鉛（pbzro3）系壓電陶瓷，二元系壓電陶瓷有鋯鈦酸鉛（pbtio3-pbzro3），1965年問世的pcm它由鋯酸鉛（pbzro3）鈦酸鉛（pbtio3）鈮鎂酸鉛pb（mg1/3nb2/3）o3三成分配比而成。壓電材料可以進行機械能電能互換，在市場上占有每年百億元的份額，在電子產(chǎn)品、航天、聲音傳播、高客等方面都有應用。近50年以來，pzt以其優(yōu)越性能被廣泛應用。在pzt中，氧化鉛（pbo）約占原料總質(zhì)量的70%。pbo在溫度過高和生產(chǎn)是會散發(fā)出有毒氣體。含鉛壓電陶瓷在制作和應用時會造成人體和環(huán)境的污染，所以世界各國的專家開始尋求優(yōu)秀的無鉛壓電陶瓷來取代pzt等含鉛壓電陶瓷4

10、。因為含鉛材料的污染，歐盟、美國和我國等國家紛紛建立法律禁止使用含鉛材料。所以，找到可以取代pzt的無鉛壓電材料是全球難題，它代表了一個國度的實力和財富最近幾年主要開發(fā)的無鉛壓電陶瓷大概可以列為鈣鈦礦、鉍層狀結(jié)構(gòu)和鎢青銅三大系。鈣鈦礦系又包含：鈦酸鋇（batio3，簡稱是bt）壓電陶瓷、堿金屬鈮酸鹽（k1/2na1/2）nbo3，簡記為knn）無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉（bina）tio3，簡記為bnt）系無鉛壓電陶瓷。因為它們的框架和構(gòu)成不相同，所以這些材料的壓電特性也不相同。目前是從以下兩個方向來改善壓電陶瓷的壓電性：（1）用不一樣的制備方法和工藝來提升壓電特性，并且能為目前提升壓電性能的新技

11、術(shù)提供寬闊的前景。（2）通過摻雜不一樣的化學組分來提高壓電陶瓷的壓電特性5?，F(xiàn)在本文主要綜述了鐵電材料壓電特性的原理、發(fā)展現(xiàn)狀，以及各種壓電材料的性能及改性研究。第2章 壓電特性的原理鐵電材料分外部和內(nèi)部，內(nèi)部晶體包含一些可以自發(fā)極化的電疇，沒有外部電場時，晶體中的電疇分散紊亂，各個電疇的極化互相抵擋消除，這時候的極化程度是0。因此不加外電場時，壓電陶瓷為中性，不具備壓電特性。但是加入外部電場時，自發(fā)極化的電疇會轉(zhuǎn)動，按照外部電場走向排序，使得材料具有極化性質(zhì)。施加的外部電場越強，電疇會更多更多的向外部電場的方向轉(zhuǎn)動。當外部電場到達讓材料的極化程度飽和的強度時，或一切電疇的極化走向都與外部電場

12、的方向工整一樣時，去掉外部電場，極化走向大部分不改變，這時的材料含有壓電性。壓電材料可以達到電能機械能互換，正逆壓電效應組成了壓電效應。壓電材料包含正逆兩種效應。與此同時，壓電材料中，可以自發(fā)極化（一部分來源于離子直接位移；另一部分是由于電子云的形變）的材料為鐵電材料，即具有壓電特性的鐵電材料6。壓電效應在19世紀80年代，兩位法國科研人源居里（curie）兄弟，發(fā)現(xiàn)了石英晶體一種特殊的現(xiàn)象，即如果在石英晶體上按照一個方向割下一塊薄鏡片，在它的表層加上電極，當晶片在被施加的作用力而發(fā)生變化后，兩極表層會顯現(xiàn)出相等量的正、負電荷。作用力撤銷后，電荷也就消失了。因為機械力的施加使得晶體表層出現(xiàn)電荷

13、的征象，叫作正壓電效應，即圖2-1。之后學者又在另外一部分晶體中展開了相似的測試，證實了大部分晶體都包含這個征象。這一類含有壓電效應的晶體稱作壓電晶體。1881年，在發(fā)現(xiàn)了正壓電效應之后，居里兄弟在測試中證明了另一個物理征象：把壓電晶體放在外部電場里，因為電場的影響，壓電晶體會產(chǎn)生變形，而變化的巨細與外電場的巨細成正比例，電場撤銷后，晶體變化也消散。這種因為電場的影響而使壓電晶體發(fā)生變化的征象，叫作逆壓電效應，即圖2-2。測試表明，凡擁有正壓電效應的晶狀體，也肯定擁有逆效應，兩者逐一呼應。壓電材料大致可以分為三類：（1）壓電陶瓷和晶體等無鉛壓電材質(zhì)。（2）具有壓電特性的聚合物。（3）復合壓電材

14、料。在這三類中，壓電陶瓷因其機能比其它的穩(wěn)固，其適用范圍又與大家的日?；ハ嗦?lián)系，因此壓電陶瓷的適用比其它的更普遍。圖2-1 正壓電效應示意圖 圖2-2 逆壓電效應示意圖（實線表明變化前的狀況，虛線表明變化后的狀況） 壓電陶瓷可以實現(xiàn)機械能電能互換，大部分為多晶體壓電材料。然而鐵電材質(zhì)的壓電原理和石英不一樣，鐵電陶瓷在沒有經(jīng)歷極化的情況下不含有壓電效應。如圖2-3所示，晶體按照對稱分為32個點群，鐵電晶體是壓電晶體中的亞族，是以鐵電體必然具有壓電性，壓電性在鐵電材料的應用中發(fā)揮重要的功能。圖2-3 晶體點群中的分類本文所用到的表征壓電特性的物理量為壓電常數(shù)d33、介電常數(shù)、機電耦合系數(shù)kp、介電

15、損耗tan等。第3章 鐵電材料壓電特性的研究本文綜述鐵電材料主要從有鉛壓電材料和無鉛壓電材料兩部分的特性進行展開，其中有鉛壓電材料介紹了以pzt為主的壓電陶瓷的壓電性能和改性研究，無鉛壓電材料主要從鈮酸鉀鈉基(knn)、鈦酸鉍鈉基(bnt) 還有鈦酸鋇基(bt) 陶瓷這三部分來介紹。3.1 pzt的壓電性能及改性研究pzt可以做成好多種外形并擁有杰出的壓電、介電和光電等電學性質(zhì)，因為其制備工藝簡單。在電子信息。航空等技術(shù)區(qū)域和機器、通訊等領域廣泛應用。pzt壓電陶瓷是由pbtio3和pbzro3構(gòu)成的固溶體，它能實現(xiàn)機械能電能互換。它是優(yōu)秀壓電陶瓷材料，而今已成長為pzt系壓電陶瓷。目前pzt

16、壓電陶瓷是應用很普遍的具有壓電性的材料，plzt、pmn、pzn 等是現(xiàn)實中使用廣泛的電致伸縮材料。pbzro3和 pbtio3皆是鈣鈦礦型構(gòu)造，居里溫度分別為230和489，而且zr4+離子半徑（0.82）和 ti4+離子半徑（0.64）相差不多、化學性質(zhì)類似，是以兩種離子能以隨意比例形成持續(xù)固溶體。通過如下3-1相圖可以看出，在相變溫度以下，zr:ti=52：48 附近，有一條準同型相界。從圖中也可以看出在zr/ti為95/5的富含zr的區(qū)域,含有一條鐵電-反鐵電的界限，該構(gòu)成的 pzt 包含特別的性能和用途。在pzt發(fā)現(xiàn)后，因其杰出的性能，變?yōu)榇蠹覊弘姴牧系氖走x，使batio3時期很多不

17、可以制造的元件變?yōu)榭赡?。圖3-1 pbzro3-pbtio3體系相圖通過探求pzt系壓電陶瓷發(fā)覺，調(diào)換組成或者是改變外部因素可在大規(guī)模調(diào)整pzt壓電陶瓷的電性能。pzt這種壓電材料的開拓在現(xiàn)代技術(shù)成長迅速的社會一直是學者們的熱門話題，優(yōu)化pzt壓電特性在當前來講主要是修改化學成分和變換制作方法。3.1.1 通過摻雜改變壓電性能pzt壓電陶瓷的最后性質(zhì)可通過鋯鈦之間的比例來修改，然而只改變兩者的比例不足以達到大家對壓電特性的要求，而摻雜一部分其它元素能夠更多的轉(zhuǎn)變材料的特性?？蒲泄ぷ髡呓?jīng)過把添加劑加入pzt材料中對其進行了改變性能的普遍測試。以期達到不一樣的性質(zhì)目標。添加劑主要可以區(qū)分為硬性、

18、軟性、離子等試劑，研究pzt壓電材料時可以增加一種或者多種試劑。硬性添加劑像al3+、na+、等添入到pzt后少量的負離子會從晶格內(nèi)消失。pzt的介電損耗會隨著硬性添加劑的加入而降低，其機械因數(shù)會提升，可應用于制作高能轉(zhuǎn)化器件等等。軟性添加劑有bi3+、la3+等試劑。它的本質(zhì)是取代鉛離子等。由此可以產(chǎn)生一些用以轉(zhuǎn)換壓電特性的正離子于晶格內(nèi)?？梢詰迷谥圃祆`敏程度高的元件比如傳感器等。離子添加劑是指含cr離子和u離子等的氧化物，在鋯鈦酸鉛固溶體晶格內(nèi)體現(xiàn)的許多價態(tài)，并且pzt的退化速度隨著離子的加入而變慢，但是介電損耗系數(shù)變高。所以，大家研究改變化成分來改變pzt的性質(zhì)以適應日常生活的需求。當

19、前已經(jīng)經(jīng)過改變化學組分的辦法得到了pzt-4、pzt-5a、pzt-6b等材料，其性能如表3-2所示。按照這三種材料壓電特性的不同，可以把它們制成多種器件。改變化學組分可以深遠影響pzt的性質(zhì)，為了研發(fā)出杰出性能的pzt要加入許多離子，以期望達到細致的研究8。表3-2 pzt基壓電陶瓷材料的性能3.1.2 采取特別的制作方法提高壓電特性pzt的壓電特性受到不一樣的壓制方式的干擾。對用一樣的燒制方式做出來的材料，發(fā)覺pzt晶粒的大小因為制作方法的不一樣而存在著顯著差別，從而它們的壓電特性也不一樣。孟正華等人對不同的壓制方法做了測試，圖3-3（a）、（b）分別為電磁壓制、模壓制備的pzt樣品，能從

20、圖中得到電磁壓制比模壓得到的pzt晶粒要小，晶粒的接觸面積變大，晶粒間的結(jié)合也更為緊密。由于精細的pzt可以具備杰出的壓電特性，所以為了改變和完善其壓電特性需要創(chuàng)新工藝9。圖3-3 pzt顯示電鏡在不一樣壓制方法下的對比3.2 無鉛壓電陶瓷因為pzt含對人類和環(huán)境有危險的pbo，美國等歐洲國家和中國等亞洲國家紛紛成立相關法律限定含鉛材料的應用。所以，世界的一大難題是探求可以取代pzt的不含鉛的壓電材料。這可以影響一個國家的經(jīng)濟和生產(chǎn)。無鉛壓電陶瓷基本上可以列為鈣鈦礦系、鉍狀層結(jié)構(gòu)系和鎢青銅系。迄今為止, 主要的無鉛壓電陶瓷體系有: batio3(bt)、binatio3(bnt)、(k, na

21、)nbo3(knn)、ba(ti, zr)o3-(ba, ca)tio3(bzt-bct)等?；旧纤械臒o鉛壓電材質(zhì)都不能代替pzt，因為其壓電性質(zhì)都比很低。因此，世界各國開始了以鈮酸鉀鈉基(knn)、鈦酸鉍鈉基(bnt) 以及鈦酸鋇基(bt) 陶瓷等為對象的無鉛材料的開發(fā)10。knn陶瓷方面：日本、瑞士等國家先后研制出了可以到達pzt標準的knn無鉛壓電陶瓷，然而其溫度穩(wěn)固、耐濕性等都不盡如人意，難以滿足實用的要求11；bnt陶瓷方面：日本研制發(fā)表了極化強度和居里溫度都比較高的bnt，可是由于其矯頑場極高，難以產(chǎn)生極化，并且bi3+易蒸發(fā)，不足以使樣品精細，所以它的前景不是很明朗12。bt

22、 陶瓷方面：日本報道了利用晶體指定方法取得d33=788，但其固定性很低，也沒有明朗的前景13。 1980年中國已經(jīng)重視無鉛壓電陶瓷的開發(fā)。中國科學院上海硅酸鹽研究所在國際上最先報道了nbt-bt及nbt-kbt等無鉛壓電陶瓷的準同型相界。最近幾年，四川大學、清華大學、山東大學、電子科技大學、陜西師范大學等都相繼開始了無鉛壓電陶瓷的開發(fā)，在knn體系壓電陶瓷組分優(yōu)化、準同型相界發(fā)掘和利用疇工程提升無鉛壓電陶瓷的性能等領域獲取了令人羨慕的結(jié)果。西安交通大學科研人員提出大壓電效應的新論題，在這個論題的基礎上發(fā)現(xiàn)了超過pzt的大壓電效應的無鉛壓電陶瓷。由此可見，無鉛壓電材料已經(jīng)在很多開發(fā)之后收獲了成績，如今的研發(fā)熱門是怎樣獲得一種能夠完全取代pzt的無鉛材料，并且能從性能上表明取得了壓電效應的機理性質(zhì)。3.2.1 鈦酸鋇基（bt）壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀很久之前就獲得的abo3型鈣鈦礦框架結(jié)構(gòu)的材料是鈦酸鋇。因為batio3含有鐵電、壓電、介電、熱釋電和光電性而普遍應用于陶瓷電容器、介質(zhì)放大器。它包含比較高的機電耦合系數(shù)，較大的介電常數(shù)、中等的機械品質(zhì)因數(shù)和很小的消耗。然而batio3壓電特性水平不高是因為它的居里