中國(guó)粉體網(wǎng)訊  壓電材料是一種能夠進(jìn)行機(jī)械能與電能之間相互轉(zhuǎn)化的智能材料，現(xiàn)已形成市場(chǎng)規(guī)模為每年近百億美元的巨大產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用范圍從手機(jī)等家用電子產(chǎn)品到航空航天、艦艇聲納、高速列車(chē)等領(lǐng)域。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，壓電材料產(chǎn)業(yè)一直由性能優(yōu)異的鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷所統(tǒng)治。

1、什么是材料的壓電效應(yīng)？

1880年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者P.Curie和J.Curie兄弟發(fā)現(xiàn)，在天然石英晶體的特定方向上施加應(yīng)力會(huì)使晶體表面產(chǎn)生電荷，電荷的產(chǎn)生與晶體的方向密切相關(guān)且大小與應(yīng)力呈正比，這就是材料的正壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)的微觀本質(zhì)是應(yīng)力下材料內(nèi)電偶極矩發(fā)生了方向和大小的變化，同時(shí)材料表面感應(yīng)生成等量電荷以抵消電偶極矩的改變。壓電效應(yīng)具有可逆性，逆壓電效應(yīng)是壓電材料內(nèi)電偶極矩在外加電場(chǎng)下產(chǎn)生拉伸或壓縮，宏觀上表現(xiàn)為通過(guò)外加電場(chǎng)產(chǎn)生的電致伸縮現(xiàn)象。正逆壓電效應(yīng)均是電能和機(jī)械能的耦合轉(zhuǎn)換過(guò)程。

2、壓電材料與鐵電材料之間是什么關(guān)系？

壓電材料的范圍非常廣，1938年德國(guó)物理學(xué)家Wooster在他的專(zhuān)著Textbook on Crystal Physics中指出，結(jié)構(gòu)上具有不對(duì)稱(chēng)中心的電介質(zhì)都有可能具有壓電效應(yīng)。而鐵電材料的范圍相對(duì)較小一些，具有鐵電性的材料都有壓電性，而有壓電性的材料不一定具有鐵電性。鐵電效應(yīng)最早是1920年由法國(guó)人Valasek在酒石酸鉀鈉（羅氏鹽）中發(fā)現(xiàn)的，由此揭開(kāi)了鐵電材料研究的序幕。鐵電性的本質(zhì)是材料內(nèi)部的自發(fā)極化行為，且可在外加電場(chǎng)的作用下被改變方向。

各種電介質(zhì)之間相互關(guān)系示意圖

3、壓電陶瓷有哪些重要性能參數(shù)？

壓電陶瓷是一種具備了壓電、介電以及彈性三種性能的各向異性材料。因此，壓電陶瓷性能好壞的衡量主要是通過(guò)不同的性能參數(shù)大小來(lái)區(qū)分，主要有以下幾個(gè)性能參數(shù)：壓電常數(shù)（d₃₃），機(jī)電耦合系數(shù)（k_p），機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Q_m），介電常數(shù)（ε_r），介電損耗（tanδ），居里溫度（T_c），電滯回線(xiàn)（P-E）。

4、壓電陶瓷材料有哪些應(yīng)用？

壓電材料作為當(dāng)今使用率最高的功能性材料之一，其應(yīng)用范圍日益廣泛，這是因?yàn)槠渚哂谢瘜W(xué)穩(wěn)定性高、制備工藝方便、成本低以及壓電性能較好。壓電陶瓷在日常生活中發(fā)揮著重要的作用，不僅廣泛應(yīng)用在民事生活中，在軍用器件中也起到了必不可少的作用。壓電陶瓷的應(yīng)用主要可分為兩類(lèi)，一是壓電振子，二是壓電換能器。壓電振子主要是通過(guò)輸入電信號(hào)的方式，一般應(yīng)用在濾波器、變壓器、電子通訊設(shè)備中等等；壓電換能器主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換，一般大都應(yīng)用在水下?lián)Q能器、醫(yī)用換能器、超聲換能器中等等。

壓電陶瓷材料的部分應(yīng)用舉例

5、傳統(tǒng)壓電材料有何弊端？

1952年，Shirane等人合成鋯鈦酸鉛（PZT），其被認(rèn)為是最具應(yīng)用價(jià)值的壓電材料，在上個(gè)世紀(jì)受到了長(zhǎng)足的關(guān)注與研究。目前PZT仍然是性能最為優(yōu)異的壓電材料基體，被廣泛應(yīng)用于：航空飛行振動(dòng)傳感器、航海聲納傳感器、精密流量控制、內(nèi)燃機(jī)引擎相關(guān)構(gòu)件、各種環(huán)境下振動(dòng)能量的采集等領(lǐng)域。

PZT壓電陶瓷體系雖然具有優(yōu)異的壓電性、熱穩(wěn)定性以及成熟的應(yīng)用，然而制備PZT陶瓷的主要原料PbO具有很高的毒性，其在高溫?zé)�結(jié)時(shí)會(huì)揮發(fā)，空氣中微量的PbO就會(huì)對(duì)人和動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重毒害。PZT陶瓷中含鉛量高達(dá)~60wt%，從制備到回收處理都會(huì)帶來(lái)巨大的環(huán)境壓力。

6、新型無(wú)鉛壓電材料進(jìn)展如何？

現(xiàn)今，尋找可替代PZT的無(wú)鉛壓電材料是壓電材料研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)，越來(lái)越多的研究者對(duì)無(wú)鉛壓電材料體系開(kāi)展研究。鈮酸鉀鈉基（K_0.5Na_0.5NbO₃，KNN）和鈦酸鋇基（BaTiO₃，BT）被認(rèn)為是最具有替代鉛基材料潛力的無(wú)鉛壓電陶瓷，近十年關(guān)于KNN和BT壓電陶瓷的研究占無(wú)鉛壓電材料研究總數(shù)1/4以上。

近些年KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷的研究集中于探究產(chǎn)生巨大壓電效應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)巨大壓電效應(yīng)的成因做出更加細(xì)致合理的解釋。并且在設(shè)計(jì)KNN基陶瓷組分時(shí)，設(shè)置多個(gè)摻雜物以及其成分變量，多種成分變量共同調(diào)節(jié)或可得到更為優(yōu)異的壓電性能。

相較于KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷，BT基陶瓷的固相燒結(jié)溫度區(qū)間較寬，且沒(méi)有在燒結(jié)過(guò)程中易揮發(fā)的堿金屬元素，燒結(jié)過(guò)程比較穩(wěn)定，得到的陶瓷樣品一般比較致密。近些年研究者們?cè)趯?duì)BT基陶瓷或單晶的壓電性能、電致伸縮性能以及微疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，但BT基較低的T_C（居里溫度）與熱穩(wěn)定性，是其在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用所必須先行解決的問(wèn)題。

7、無(wú)鉛壓電陶瓷粉體如何制備？

陶瓷粉體的各種合成法比較

150℃反應(yīng)15h水熱合成Bi₄Ti₃O₁₂粉體的SEM照片

8、無(wú)鉛壓電陶瓷有哪些改性方法？

以BaTiO₃基陶瓷為例：盡管BaTiO₃基陶瓷有居里溫度比較低的缺點(diǎn)，但由于其原料的成本低，壓電活性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)使得鈦酸鋇基陶瓷通過(guò)優(yōu)化改性取代鉛基壓電材料成為可能。

（1）離子摻雜改性：鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型晶體，Ba²⁺離子占據(jù)A位，Ti⁴⁺位于氧八面體中心的B位。當(dāng)半徑相似的金屬或非金屬離子單個(gè)或同時(shí)摻入BT基壓電陶瓷中的晶格時(shí)，會(huì)產(chǎn)生部分A、B位離子取代以及部分A、B空位或氧空位缺陷，引起微觀結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響和改變陶瓷的電學(xué)性能。

（2）多組元摻雜改性：PZT壓電陶瓷在準(zhǔn)同型相界(MPB)附近具有優(yōu)異的電學(xué)性能，同樣，通過(guò)向BT基陶瓷材料中引入一種或多種體系，尋求該二元或多元體系的準(zhǔn)同型相界(MPB)也是目前對(duì)BT改性的重要方法之一。

（3）燒結(jié)助劑改性：在壓電陶瓷燒結(jié)的過(guò)程中加入燒結(jié)助劑不僅可以降低燒結(jié)溫度減少能耗，還可以改善陶瓷制品的表面性能減少缺陷。同時(shí)，部分燒結(jié)助劑中的陽(yáng)離子還可取代晶體中的離子，產(chǎn)生空位、畸變等缺陷，改變陶瓷的電學(xué)結(jié)構(gòu)，從而使其整體性能得到改善。目前低溫?zé)�結(jié)的方式主要有固溶作用、液相燒結(jié)和過(guò)渡液相燒結(jié)三種。

也有研究稱(chēng)：通過(guò)摻雜改性提高陶瓷的壓電性能有限，織構(gòu)化是能大幅提高陶瓷材料性能的有效途徑�？棙�(gòu)化是指通過(guò)一定的微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備工藝，使陶瓷材料中各向異性的晶粒沿著某些特定方向進(jìn)行規(guī)則排列，擇優(yōu)生長(zhǎng)，改變材料微觀結(jié)構(gòu)，從而使材料必要的性能在特定方向上得到提升。

9、無(wú)鉛壓電陶瓷的未來(lái)研究前景如何？

雖然國(guó)際及國(guó)內(nèi)在無(wú)鉛壓電陶瓷方面已開(kāi)展了大量的研究并取得了階段性成果，但在進(jìn)一步提高無(wú)鉛壓電材料的壓電性能方面遭遇到了瓶頸，至今仍未發(fā)現(xiàn)一種在壓電性能和溫度穩(wěn)定性方面全面達(dá)到PZT陶瓷、可以真正替代PZT陶瓷的無(wú)鉛壓電材料。其核心是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題：揭示準(zhǔn)同型相界的物理學(xué)本質(zhì)及其對(duì)壓電性能提升的機(jī)理。未來(lái)關(guān)于無(wú)鉛壓電陶瓷的研究，將集中在闡明MPB區(qū)域壓電、鐵電、介電特性和微結(jié)構(gòu)，及其在外電場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)演化行為；研究組分調(diào)節(jié)對(duì)材料相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、鐵電疇結(jié)構(gòu)及壓電性能調(diào)控的物理機(jī)制，進(jìn)而研發(fā)高性能無(wú)鉛壓電陶瓷并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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