浅谈无铅压电陶瓷的应用

曹峻瑀

摘 要：压电陶瓷的应用可以实现电能与机械能之间的转换，与传统材料相比，成本低廉，压电性能理想，有着理想的化学稳定性与电磁学性能，在通信、电子、冶金、航空、计算机、探测等领域中得到了广泛的应用。本文主要针对无铅压电陶瓷的性能与应用进行分析。

关键词：无铅压电陶瓷；性能；应用

压电陶瓷是一种既可以将变力转化为电能也可以将电能转化为振动的新型的多功能材料。由于压电陶瓷具有稳定性强、物理性质优异和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，人们对无铅压电陶瓷进行了深入的研究。本文笔者将简要地谈一谈无铅压电陶瓷及其应用。

一、无铅压电陶瓷的研究进展及其应用

为了更好地响应可持续发展战略，科研人员对无铅压电陶瓷的研究在不断地深入。近年来，无铅压电陶瓷的开发和应用都有了很大的进展。目前主要研究的无铅压电陶瓷有钛酸钡基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷和钨青铜结构无铅压电陶瓷五种。下面将分别分析一下各无铅压电陶瓷材料的研究进展及其应用：

1）钛酸钡基无铅压电陶瓷在无铅压电陶瓷材料中是最早被发现的。因此，与其他无铅压电陶瓷的材料相比，对钛酸钡基无铅压电陶瓷的研究最为成熟。但是其可供工作的温度范围十分有限，压电的性能也只是中等水平，所以其应用领域也存在一定的限制。

2）钛酸铋钠基无铅压电陶瓷在室温下呈现三方铁的电相，且剩余极化强度很大。除此之外，其还具有介电常数小、烧结温度低和声学性能优异等特点而被视为最具魅力的无铅压电陶瓷之一。因此，此类无铅压电陶瓷材料在高频超声换能器、高频谐振器、超声探测器和高频传感器等器件的生产中都有所应用。

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滤波器。

4）碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷由LiNb、NaNb和KNb三种材料构成。此种材料的铁电性比较强，很受重视，但是在高温下极易挥发。如果用传统的方法来生产此种陶瓷，陶瓷的致密性会受到影响，所以要在生产过程中采取一定的措施。

5）钨青铜结构无铅压电陶瓷中钨青铜结构化合物的自发极性大，且介电常数低，居里温度高。除此之外，其光电性能和热释电性能极好，因此也越来越被重视。

虽然对无铅压电陶瓷材料的研究还不是很成熟，其应用领域也不是很广。但就其本身的性能来说，无铅压电陶瓷的可应用水平已经很高。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、日本村田公司和松下公司与一些国际化的电陶瓷企业在无铅压电陶瓷方面都做了大量的工作，在技术设备方面也进行了研究。

二、无铅压电陶瓷的改进建议

虽然无铅压电陶瓷的性能优越，具有介电常数小、烧结温度低和声学性能优异等特点，但其综合性能还需要进一步地被优化。为了进一步提高无铅压电陶瓷的应用水平，使其更广泛地被应用到各个领域，笔者提出了一些关于改进无铅压电陶瓷性能的措施和建议。

1）从资料中可知道无铅压电陶瓷的机电耦合系数已超过百分之四十，但与传统的铅压电陶瓷相比仍有一些差距。而且器件对压电材料的机电耦合系数要求也比较高。所以在研究中要着重提高无铅压电陶瓷的机电耦合系数。

2）无铅压电陶瓷的介电常数也需要进一步的提升。高的介电常数可以使无铅压电陶瓷在电声器件领域得到更好的应用。

3）现有的无铅压电陶瓷的机械品质因数都比较低，但不同的器件对机械品质因数值的要求有高有低。所以开发机械品质因数高的无铅压电陶瓷可以进一步扩大无铅压电陶瓷的应用范围。

三、结语

随着社会的可持续发展战略的不断推进，人类的环保意识也在逐渐增强。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。但與铅压电陶瓷相比，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广泛应用。

参考文献：

[1] 武丽明，刘泳，吕会芹，遲庆斌，王淑婷，陈倩，初瑞清，徐志军.铋层状无铅压电陶瓷的研究进展[J].聊城大学学报（自然科学版），2012（03）.

[2] 肖定全.钙钛矿型无铅压电陶瓷研究进展及今后发展思考[J].人工晶体学报，2012（S1）.

[3] 陆雷，肖定全，田建华，朱建国.无铅压电陶瓷薄膜的制备及应用研究[J].功能材料，2009（05）.

[4] 赁敦敏，郑荞佶，伍晓春，徐成刚，毕剑，高道江.无铅压电陶瓷研究进展[J].四川师范大学学报（自然科学版），2010（01）.