1、压电材料的研究现状 与使用,龙晓晖2012210549,一、概念介绍,压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域中。自20世纪出现压电材料以来,因其独特性能,逐渐成为材料领域中的重要组成部分。随着电子、导航和生物等高技术领域的发展,人们对压电材料性能的要求越来越高。,当外力作用到压电材料上引起变形,材料内部正负束缚电荷的间距变小,极化强度也变小,原来吸附在电极上的自由电荷有部分被释放,出现放电现象,称为正压电效应 电荷的密度与施加外力的大小成比例,在压电材料两极加一定强度电场,片内的正负电荷间距变大,极化强度也变大,电极上
2、又吸附部分自由电荷而出现充电现象,电荷在电路中移动可对外输出机械能,称为逆压电效应,1894 年沃伊特指出，介质具有压电性的条件是其结构不具有对称中心。 压电材料按晶体结构分有钙钛矿结构、钨青铜结构、铋层状结构等 按用途或功能分有发射型和接收型压电材料 按性状分有粉体、纤维、薄膜及块体材料 按性质和组成组元分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物和复合材料。,二、工业种类,压电材料主要分为以下三类： 第一类是无机压电材料 第二类是有机压电材料 第三类是复合压电材料,无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。 压电晶体，是按晶体空间点阵长程有序生长而成
3、的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。 压电陶瓷,是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。,有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。,复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末
4、状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。,三、PZT 基压电陶瓷的研究进展,PZT 陶瓷是锆钛酸铅压电陶瓷的简称，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种。 PZT 陶瓷作为很好的换能器材料已经有30 多年的历史，BaTiO3 作为优良的高介材料几乎达40 年之久。,对一些化合物的深入研究表明，改变掺杂元素的方法，不可能大幅度改进和提高材料的性能。于是人们采用不均质的陶瓷材料和精确控制材料的多相性来改进单相材料的某些性能。压电复合材料有多种复合方式。就结构来说，有混合状、层状、梯形
5、和蜂窝形；就材料来说，有PZT/ 聚合物、PZT/PZT（两种PZT 的组分不同）、PZT（致密）/ PZT（多孔）/PZT（致密）等。利用复合技术不仅能提高材料的压电性能、热电性能，还能提高材料的耐压性以及抗去极化性。,PZT 压电陶瓷不断改进，逐渐趋于完美。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。目前发展比较成熟的三元系如：PMN- PZT、PMN- PZN- PT，四元系如：PMN- PZN- PZT、PLN- PMN- PZT、PZN- PNN- PZT。多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广
6、泛。,四、PZT 基压电陶瓷的发展方向,性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。目前,PZT 基压电材料的研究热点趋势主要有: (1)低温烧结PZT陶瓷; (2)大功率高转换效率的PZT压电陶瓷。,低温烧结是为了解决铅基压电陶瓷高温烧结中引起的PbO挥发问题。通过在PZT陶瓷中添加Li2CO3、Bi2O3、MnO2等低熔点烧结助剂能降低烧结温度约200300 ;制备纳米化超细粉体可以控制烧结温度在PbO挥发温度以下;通过热压烧结也可以使PZT的烧结温度降低150200 ,有利于减少氧化铅的挥发。,制备大功率高转换效率的PZT压电陶瓷主要有3种方法:通过掺杂锰元素、YMnO3及其它元素掺杂改
7、性;将第四组元加入到多元系压电陶瓷中开发新的材料体系;通过添加低温共烧助剂,用湿化学法制备超细粉体,利用热压成形烧结,探索新的制备工艺。,五、PZT 基压电陶瓷的工业生产现状,1 固相法 采用传统固相法制备PZT时,烧结温度高于1200会引起PbO的挥发,难以控制化学计量比,导致材料的微观结构和电学性能难以控制,适用于原料便宜、工艺简单及对压电材料性能要求不高的场合。,2 液相法 液相法制备压电材料是目前最常用的方法,包括共沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、醇盐水解法等。共沉淀法可实现低温烧结,能得到比理论密度更高密度的压电材料。水热法需要较高的温度和压力,设备投资大,限制了该法的应用。溶胶-凝胶法是液相法中最常用的一种方法。,3 气相法 气相法适合制备纳米级压电薄膜,主要有物理气相沉积和化学气相沉积。其中,溅射法是最常用的方法。化学气相沉积法可以精确地控制反应产物的化学组成,掺杂方便,但难以获得合适的气源材料,不适合低成本、大量制备薄膜,实际中采用较少。,
