无铅压电陶瓷的研究与应用进展
第3期
赵亚等：无铅压电陶瓷的研究与应用进展
曼！
料。目前大规模使用的压电陶瓷材料主要是性能优异的以 P T为基的二元系及多元系陶瓷，是 P O( Z但 b或
P 含量约占其原料总量的 7%左右，b bO ) 0 P O有毒、高温下具有挥发性，在材料的制备过程中不仅危害环境，而且使其化学计量式偏离了计算配方，进而使产品一致性和重复性降低，导致陶瓷性能下降。另外，含铅器件废弃后也会给人类及生态环境带来危害，如果将其回收实施无公害处理，需成本将很高，至远高于所甚当初器件的制造成本]。因此，不管是为了满足市场需求，是出于保护环境，电陶瓷材料的无铅化是必还压然趋势，进行无铅压电陶瓷及其应用的研究开发将是一个具有现实意义的课题。
2无铅压电陶瓷概况 无铅压电陶瓷，称为环境协调压电陶瓷，求陶瓷材料既具有尽可能高的压电性能又具有良好的环境也要协调性。从 2 0世纪 6 0年代起国内外的科研人员就开始了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶
瓷的研究。在近些年来，无铅压电陶瓷的研究开发和应用研究有了实质性的进展，已成为当前铁电压电材料及其应用研究的热点之一，而且无铅压电陶瓷知识产权的竞争非常激烈 J着欧盟的 R S。随 O H指令的执行和我国信息产业部的对
电子产品的环保要求，国际和国内的电子产品制造中应用量大、广的电子封装、在面焊接、电子浆料和电容器介质材料已经基本实现无铅化，无铅压电陶瓷目前还没有产业化。而
目前，按晶体结构分类，无铅压电陶瓷的研究主要有以下三个系列：钙钛矿结构，含铋层状结构及钨青铜结构等] 4。这些无铅压电材料由于其成份和结构的不同，其压电性能各有特点，据器件应用性能参数故根的要求，际应用领域也各有侧重。例如，实铋层状结构无铅压电陶瓷体系压电性能稳定、振频率的时间和谐温度稳定性好，适合用于制作高温能量转换领域的器件；钛矿型铁电体 B T陶瓷具有铁电性强、电耦合钙 N机系数大、学性能好，声适合制作高频超声换能器和声表面波器件’。
3钙钛矿结构无铅压电陶瓷 钙钛矿结构铁电体化合物是数量最大的一类铁电体。钙钛矿结构原名来源于 C TO这一矿物的结构， a i 其化学通式为 A O。目前研究的钙钛矿结构无铅压电陶瓷主要包括钛酸钡 ( a i,B基无铅压电陶瓷、 B B TO, T) 钛酸铋钠 ( a i TO, B )无铅压电陶瓷和碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷。 N B i,N T基31 B . T基无铅压电陶瓷
B TO是最早发现的无铅压电材料， ai相应的 B T基压电材料研究时间较长，是研究得相当成熟的无铅压
电陶瓷，初用于压电振子材料，最目前是制造电容器的重要材料之一。B TO a i机电耦合系数大，备较简制单，状和极化方向可任意选择，由于其居里温度较低 (=10o、作温区较窄、室温附近 (形但 2 C)工在即在工
作温区)存在斜方晶系和四方晶系相变、性能参数的时间和温度稳定性都欠佳，电性能只属于中等水平；压 难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能 J,以满足不同的需要，以其在压电方面的应用受到限制。所为扩大 B TO ai,的使用温度范围，对其掺加各类氧化物或以 STO、 ai作为第二组元加入形成固溶 ri CTO体，得了一定的效果，不能同时兼顾拓宽工作温区和改善压电性能两个方面]取但。最引人注目的是以 z r取代 T且添
加金属氧化物形成的 BT Z,B T体系， i ai rO ( Z )其具有烧结温度低、晶粒小、对密度高达 9%、相 0 可以获得的压电常数 (,) 3 0 p/ d,达 4 C N、机电耦合系数 (,)达 6%, k高， 5且工作温区较纯 B TO a i,陶瓷宽 (可在 -0~ O℃范围内使用 )良好性能，为微机电系统 ( M )件的理想材料] 3 8等成 ME S器。多年来，改性钛酸钡一
直在推陈出新，能不断的在变化。但是通过长期对 B性 T基压电陶瓷的改性研究来看，过改性提高通
B TO ai,陶瓷的性能存在相当难度。当前的 B T基无铅压电陶瓷材料体系可以归纳为如下三类： ( ) 1x BTO一A O ( 1 ( -) ai3 B 3 A=B、a等， x aC B=Z、n、 fC rS H、 e等 )( ) 1 B TO A B O ( K、 a B N、 a 2 (一) a i 3 3 A N, b T )
( ) 1x B TO一M0N O (= aS、a等 ) 3 ( -) ai3 b 3 M C、rB x 5 其中第 ( )和第 ( ) 1 2两类都是 BTO与另一组元钙钛矿型铁电体形成固溶体；第 ( )则是 B TO ai。而 3类 a i
与类钙钛矿铌酸盐系陶瓷形成的固溶体，结构没有变化。( ) ( ) 1、 2两类体系存在顺电立方.铁电四方相变，