鐵電材料壓電特性的研究現(xiàn)狀分析研究 電氣工程專業(yè)

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(shí)刻擁有鐵電和壓電兩種性質(zhì)。鐵電材料的壓電性廣泛應(yīng)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(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷有PZT（鋯鈦酸鉛）。但是其含有的PbO對(duì)人體和環(huán)境有害，所以無(wú)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(wú)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(xì)概括了幾種壓電性鐵電材料的特點(diǎn)研究進(jìn)展和應(yīng)用領(lǐng)域最后綜述了壓電材料在未來(lái)需要攻克的難題和對(duì)未來(lái)發(fā)展的展望。關(guān)鍵詞鐵電材料壓電材料壓電特性壓電陶瓷無(wú)鉛壓電陶瓷ResearchStatusofPiezoelectricPropertiesofFerroelectricMaterialsABSTRACTFerroelectricmaterialsincludeferroelectric,piezoelectric,dielectric,pyroelectricandsoon.Allferroelectricmaterialshavebothferroelectricandpiezoelectricproperties.Thepiezoelectricityofferroelectricmaterialsiswidelyusedinpiezoelectricceramics,Piezoelectricceramicshasaveryimportantirreplaceablerole,themostwidelyusedpiezoelectricceramicsarePZT.ButitcontainsthePbOharmfultothehumanbodyandtheenvironment,sothedevelopmentoflead-freepiezoelectricceramicsisofgreatsignificance,andthecurrenttrendofthedevelopmentofpiezoelectricceramicsindustryislead-freepiezoelectricceramics.Thispaperdescribesthedevelopmentofpiezoelectricpropertiesofferroelectricmaterialsandthecurrentresearchresults,thispaperintroducestheresearchprogressandapplicationfieldofthepiezoelectricpropertiesofseveralferroelectricmaterialsindetail.Finally,thepapersummarizestheproblemsofpiezoelectricmaterialsinthefutureandtheprospectoffuturedevelopment.KeywordsFerroelectricmaterialsPiezoelectricmaterialsPiezoelectriccharacteristicsPiezoelectricCeramicsLead-freepiezoelectricceramics

目錄第1章引言 [24]。表3-7不一樣的K/Na比例和Ag+1替換的KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷的特性還有一些其他提高KNN壓電性能的方法，比如：研制開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的KNN基陶瓷來(lái)提高它的電學(xué)性能；增強(qiáng)KNN電學(xué)性能還可以通過(guò)取代或改變其粒子的方法：添加第三組元同樣的也能提高KNN陶瓷電學(xué)性能；通過(guò)摻雜提高KNN陶瓷性能結(jié)論本文主要綜述了PZT以及各種無(wú)鉛壓電材料等鐵電材料的壓電特性及其改性方法的研究。隨著壓電效應(yīng)的研究與發(fā)展，壓電材料開始引起人們注意，并被用在了許多前景廣闊的行業(yè)，如超聲波換能器這種將輸入功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）的器件。隨著壓電材料的不斷發(fā)展及應(yīng)用，我們將鐵電體大致分為鈣鈦礦型、鎢青銅礦型以及鈮酸鋰型鐵電體。最終具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛（PZT）類型鐵電體因其壓電系數(shù)（d33）較大，從而在壓電、鐵電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，近幾年人們對(duì)環(huán)境越來(lái)越重視，人們迫切的需要找到可以取代PZT基壓電材料的壓電鐵電材料。國(guó)內(nèi)外為了找到合適的無(wú)鉛壓電材料做出了很大的努力，進(jìn)展卻不盡人意，主要問(wèn)題是無(wú)法找到一種各方面特性及穩(wěn)定性方面都超過(guò)PZT類型的環(huán)保無(wú)鉛的壓電材料，所以PZT類型的鐵電體仍在壓電、鐵電領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。國(guó)內(nèi)外花費(fèi)大量的人力物力去研究無(wú)鉛的壓電陶瓷，一方面是世界可持續(xù)發(fā)展潮流下的必然，另一方面對(duì)各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也十分重要。所以即使研究進(jìn)展緩慢，仍然有必要去投入研究，可見壓電陶瓷的研究意義非凡。不可否認(rèn)，國(guó)內(nèi)外投入巨大的精力，研究成果還是有一些的，比如我們可以用一些摻雜的無(wú)鉛壓電陶瓷來(lái)代替一小部分的鉛基壓電陶瓷，使其在超聲換能器中發(fā)揮一些作用。但是，總體來(lái)說(shuō)，就目前的研究，我們還不能用無(wú)鉛的壓電陶瓷完全代替鉛基壓電陶瓷，在高級(jí)應(yīng)用中，我們還是要使用高性能的含鉛壓電陶瓷。所以今后我們的研究方向就是通過(guò)改良無(wú)鉛壓電陶瓷的性能，去實(shí)現(xiàn)我們既環(huán)保又高效的目的。改良的方向如下：（1）新制備技術(shù)的研究和應(yīng)用。為了使陶瓷的微結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出單晶體的特性，我們必須要研發(fā)出與傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)不同的新型制備技術(shù)。（2）對(duì)鐵電壓電理論進(jìn)行基本的考究，把壓電陶瓷的居里點(diǎn)盡量變高。對(duì)于不同的場(chǎng)合，采用不同的無(wú)鉛壓電陶瓷系統(tǒng)組合，現(xiàn)有的PZT陶瓷理論應(yīng)用于無(wú)鉛壓電陶瓷，尋求與上述壓電材料不同的新材料系統(tǒng)。提高壓電陶瓷居里點(diǎn)是為了順應(yīng)在高溫等惡劣環(huán)境下使用的要求。（3）開發(fā)納米壓電陶瓷。最近幾年，陶瓷納米化、納米陶瓷、納米器件是陶瓷逐步發(fā)展的必然趨勢(shì)，也逐漸變?yōu)閲?guó)際研究的一個(gè)新的熱門。（4）研究新型計(jì)算方式（如分子動(dòng)力學(xué)，有限元分析），找到提高微觀壓電性能的有效途徑。模仿壓電陶瓷的晶體力的變化，算出壓電陶瓷的性質(zhì)參數(shù)，探索一種提高壓電陶瓷性能的方式。未來(lái)，無(wú)鉛壓電陶瓷的研究將著重闡述MPB區(qū)域的壓電行為，鐵電性，介電性能和微結(jié)構(gòu)以及其在外部電場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)演化特性，成分調(diào)整對(duì)構(gòu)造??穩(wěn)定性，鐵電疇構(gòu)造和壓電特性的物理機(jī)能的影響，然后開發(fā)特性優(yōu)異的無(wú)鉛壓電陶瓷并發(fā)展成為工業(yè)化。參考文獻(xiàn)殷江；袁國(guó)亮；劉治國(guó).鐵電材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2012,31(3):26-27石偉麗、邢志國(guó)、王海斗、李國(guó)祿、張建軍，無(wú)鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014,28（2）：45高云鈦酸鋇基無(wú)鉛壓電陶瓷壓電性能的研究[D].天津：天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2012：3-4LiJH，F(xiàn)uXZ，LuoJL，etal.ApplicationofBaTiO3asanodematerialsforH2ScontainingCH4fueledsolidoxidefuelcell[J].JpowerSources，2012，23：69周東祥，黎慧．無(wú)鉛壓電陶瓷材料的研究進(jìn)展[J]．高層論壇功能材料信息，2007，4(7):7蒲永平，姚謀騰，高子巖，靳乾，鄭晗煜，王亞茹.無(wú)鉛壓電陶瓷的研究進(jìn)展[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2015，44（8）：2034-2035衛(wèi)琳琳.基于PZN-PZT壓電陶瓷的制備與性能研究[D].上海：數(shù)理學(xué)院，2014：3-4顧林松，李國(guó)祿，王海斗，徐濱士，邢志國(guó)，提高PZT壓電性能方法的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)A，2013，27（3）：130-131孟正華，黃尚宇．壓制方式對(duì)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷密度及性能影響的研究[J].粉末冶金技術(shù)，2008,26(1):50劉文鳳、周超、高景輝、薛德幀、張立學(xué)、李盛濤、任曉兵，無(wú)鉛壓電陶瓷的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2016，35（6）：423-424ZhangSJ，XiaR，ShroutTR.AppliedPhysicsLetters[J]，2007，91(13):132913.RodelJ，JoW，SeifertKTP，etal.JournaloftheAmericanCeramicSociety[J]，2009，92(6):1153－1177．WadaS，TakedaK,MuraishiT，etal.JapaneseJournalofAppliedPhysics[J]，2007，46(10S):7039邵林BNT基無(wú)鉛壓電陶瓷的制備及性能研究[D].聊城：材料科學(xué)與工程學(xué)院，2014：5-6陳秀峰,張大軍.鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,2014,(4):29-30Ma,Y.,Cho,J.,Lee,Y.,etal.Hydrothermalsynthesisof(Bi1/2Na1/2)TiO3piezoelectricceramics[J].Materialschemistryandphysics,2006,98(1):5-8.Takenaka,T.,Maruyama,K.I.,andSakata,K.(Bi1/2Na1/2)TiO3?BaTiO3systemforlead-freepiezoelectricceramics[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,1991,30(9B):2236-2239.Shi,J.andYang,W.PiezoelectricanddielectricpropertiesofCeO2-doped(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3lead-freeceramics[J].Journalofalloysandcompounds,2009,472(1-2):267-270.Egerton,L.andDillon,D.M.Piezoelectricanddielectricpropertiesofceramicsinthesystempotassium—sodiumniobate[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,1959,42(9):438-442.功能材料及其應(yīng)用手冊(cè)編寫組.功能材料及其應(yīng)用手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.賃敦敏，肖定全，朱建國(guó)等.Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3系陶瓷的介電性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)[J].電子元件與材料,2004,23(11).WangK,YaoFZ,JoW,etal.Temperature-insensitive(K,Na)NbO3-basedlead-freepiezoactuatorceramics.Adv.Funct.Mater.,2013,23:4079–4086.KobayashiK,DoshidaY,MizunoY