无铅压电陶瓷材料研究进展

曲莉莉

（1．兰州大成科技股份有限公司，甘肃 兰州 730000；2．兰州大成真空科技有限公司，甘肃 兰州 730000）

无铅压电陶瓷材料研究进展

曲莉莉1，2

（1．兰州大成科技股份有限公司，甘肃 兰州 730000；2．兰州大成真空科技有限公司，甘肃 兰州 730000）

压电陶瓷是一种将机械能和电能互相转换的功能无机非金属材料。本文主要对无铅压电陶瓷的发展现状做了简要的介绍，并阐述了三种无铅压电陶瓷的改性研究，分别为掺杂改性、固溶改性、织构化。无铅压电陶瓷的性能，经过进一步研究与改善，将来有望逐渐替代压电陶瓷。

掺杂；固溶改性；织构化

1 无铅压电陶瓷的发展现状

按晶体结构，无铅压电陶瓷分为铋层状结构、钨青铜结构、钙钛矿结构三个研究系列。

1.1 铋层结构

铋层结构由二维的(Bi2O2)2+层与[BO6]八面体交替排列而成，A位是适合于12配位的+1、+2、+3、+4价离子或由其组成的复合离子，B位是八面体配位离子或由其组成的复合离子，它们的化学通式用(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-表示，其中m取整数，与钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2-内的八面体层数相对应，取值范围在1-5之间。

1.2 钨青铜结构

钨青铜化合物是由共顶点的[BO6]式氧八面体堆垛而成，结构通式为(A1)2(A2)4(C)4(B1)2(B2)8O30。通常，钨青铜化合物的自发极化较大、居里温度较高、介电常数较低，其成分与构造对它的铁电性能有重要影响。

1.3 钙钛矿结构

钙钛矿结构压电陶瓷相具有相对较高的压电常数。这是由于ABO3型钙钛矿结构中B离子易于偏离八面体的体心位置，钙钛矿结构从本质上是有利于显示铁电性的晶体结构。

对压电陶瓷进行掺杂有效的改善了压电性能

2 无铅压电陶瓷的改性研究

人们通过掺杂改性、固溶改性、织构化来提高无铅压电陶瓷的性能，期望得到性能与铅基压电陶瓷相比拟环境友好型无铅压电陶瓷，下面对这几种主要的方面做以简单的介绍。

2.1 掺杂改性

在无铅压电陶瓷中掺入少量的金属或稀土元素，以改善电学性能。以锆钛酸钡体系为例，为了提高BZT体系陶瓷的介电非线性和温度稳定性，降低介电损耗，研究人员进行了BZT陶瓷的掺杂改性研究。根据掺杂位置划分为分两大类：A位掺杂和B位掺杂。稀土元素(如La、Sm、Eu、Dy、Y、Ce)和Ca、Zn、Pb、Bi等元素进行A位掺杂；Nb、Mg、Mn等元素进行B位掺杂元素。S.K.Rout等研究了 Ba1−xMgxTi0.6Zr0.4O3(x=0.0，0.07，0.14)体系，表明室温下体系结构为立方对称，Mg的加入降低了晶粒尺寸，并使其弛豫性明显增加。

2.2 固溶改性

借鉴铅基压电陶瓷的改性研究思路，多采用传统的固相反应法、溶胶-凝胶法等制备出系列无铅压电陶瓷，得到性能优化的压电和铁电性能。BCZT材料的优异性能迅速引起各国学者的兴趣Venkata Sreenivas等使用溶胶凝胶法制备得到不同含量的(Ba0.7Ca0.3)TiO3与Ba(Zr0.2Ti0.8)O3的固溶体[Ba(Zr0.2Ti0.8)O3]1-x[(Ba0.7Ca0.3)TiO3]x(x=0.10，0.15，0.20)。制得陶瓷呈单相四方结构，其密度随Ca含量的增多而增大，电滞回线中Pr和Ec都很小，导致电滞回线非常“瘦”。介温谱线表现出明显的弥散相变，居里温度随Ca的增多略有减小。

2.3 织构化

织构陶瓷的性能要比传统多晶陶瓷好得多，甚至可以与单晶相比拟，而在制备过程中，织构陶瓷比单晶具有一系列优势，如制备时间短、成本低等。因此无铅压电陶瓷的织构化是提高性能的一个重要的方法。

3 结语

压电陶瓷应用广泛，是多种电子元器件产品原材料，具有较高的研究价值。而顺应国际社会可持续发展的无铅压电陶瓷更是成为人们研究的焦点，有一定的经济价值和社会意义。目前研究的无铅压电陶瓷主要有钙钛矿结构、含铋层状结构、钨青铜结构三个系列。这几类陶瓷的压电特性目前普遍不及铅基压电陶瓷，但是人们通过掺杂改性、固溶改性、织构化等措施初步提高了无铅压电陶瓷的性能，经过进一步研究与改善，将来有望逐渐替代压电陶瓷。

[1]曲远方.现代陶瓷材料及技术[M].上海:华东理工大学出版社,2008,80-87.