功能材料学.doc

压电材料压 电 材 料摘 要：本文简单介绍了压电材料的机理与分类，概述了国内外关于压电材料的发展历史进程和研究现状，详细介绍了其在压电频率控制器、压电变压器、压电换能器、压电超声马达和压电传感器等方面的应用情况。最后从弛豫铁单晶体、高居里温度压电陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、细晶粒压电陶瓷和无铅压电陶瓷几个方面探讨了其发展趋势。关键词：压电材料；进展；应用；发展趋势Piezoelectric MaterialAbstract: The paper briefly introduces the mechanism and the sort of piezoelectric material, summarized the research history, development progress and study status of piezoelectric material in China and abroad, specified its applications in detail of piezoelectric frequency controller, piezoelectric transformer, piezoelectric transducer, piezoelectric ultrasonic-motor and piezoelectric sensor, etc. At the last of the paper, the development tends on relaxtional ferroelectric single crystal, high courier piezoelectric ceramic, piezoelectric composite material, ternary and polynary piezoelectric ceramic, fine grain piezoelectric ceramic and lead-free piezoelectric ceramic were disgussed.Keywords: piezoelectric material; progress; application; development trend1 引言1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟实验中发现：当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷。科学家把这种现象叫做压电现象。具有压电现象的介质称之为压电体。科学家进一步研究发现，压电体有正压电效应和逆压电效应两种1。有些固体介质，如：石英(SiO2 )、电气石、酒石酸钾钠(NaKC4H4O6 4H2O )，钦酸钡(BaTiO3)等。由于它们结晶点阵的特殊结构，当它们发生机械形变（如压缩或伸长）时，其相对的两个表面会呈现异号电荷，外力与端面积愈大，则出现的电荷就愈多。端面电荷的符号视外力而定。科学家把这种效应叫做正压电效应。当压电体发生机械形变时，其极化强度随之而变，导致表面吸附的自由电荷随之而变。如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。对于压电体，同时还存在逆压电效应。即当压电体上加电场时，压电体会发生机械形变（伸长或缩短）。如果压电体上加交变电场，则压电体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。2 压电效应机理2压电效应的本质是晶体（无对称中心）中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效应。如图1石英晶体压电效应产生机理。图1 石英晶体（无对称中心）压电效应产生机理由于石英晶体不存在对称中心，当给晶体施加压力时，石英晶体内部将产生极化。由原来的(a)状态，变成有一定极化强度的(b)或(c)状态，因而产生一电场。但是，如果晶体存在对称中心的话则即使晶体发生形变后仍保持极化强度为零，就不会产生压电效应。因此，只有那些原胞无对称中心的物质才能产生压电效应。晶体共有32个点群，也就是按对称中心分为32类。其中20类是非对称中心的，它们有可能具有压电效应。不过，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即是无对称中心并不足以保证具有压电性。只有少数几种晶体材料才具有压电效应。表1列出了其中的几种。表1 几种压电晶体(按压电系数递减排列)晶 体化 学 式相对强度罗息盐NaKC4H4O64H2O很强ADPNH4H2PO4强KDPKH2PO4中等-石英SiO2弱所有晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加应力，将改变晶体的电极化。但是，压电晶体不同时具有铁电性。石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体又是铁电体。3 压电材料分类压电材料按晶体结构分有钙钦矿结构、钨青铜结构、铭层状结构等；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晶体压电材料、陶瓷压电材料、高分子压电材料和复合压电材料。(一) 压电晶体材料3压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。石英是研究最早的压电晶体，现在石英晶体仍是最重要，也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除了石英之外，性能好并且使用量大的压电晶体是铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)，它们大量地用作SAW器件，例如SAW滤波器、振荡器、延迟线以及SAW相关器和卷积器等。(二) 压电陶瓷材料4压电陶瓷指把氧化物混合(氧化钻、氧化铅、氧化钦等)高温烧结，固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称所有压电陶瓷都具有这一性质，即当外电场变化时，可以使极化强度减少到零或使极化转向。压电陶瓷材料比压电晶体材料便宜但是易老化，常见的有：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。(三) 压电高分子材料5高分子压电材料的研究始于生物体，最先发现木材、麻和动物的骨、筋、血管等都具有压电性，后来发现人工合成高聚物的压电性，由此该类材料也可叫做生物高分子压电材料。高分子材料一般都具有压电性，但是有应用价值的不多。通常可把这种有应用价值的高分子压电材料分为两类：a) 天然压电高分子材料天然的纤维素和高取向、高结晶生物体具有压电性，属于此类。动物本身就是由许多种压电材料构成的复合压电体，蛋白质、核算、骨、腱和肌肉都具有压电性。生物压电性不仅是为了寻求作为压电器件的生物压电材料，更重要的是探索生物长生的奥秘。b) 合成压电高分子材料这类高分子压电材料包括极性和非极性高分子压电体。聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)和尼龙11等都是极性高分子压电体；聚乙烯、聚丙烯等属于非极性高分子，本来应该没有压电性，但由于材料中存在不对称分布的杂质电荷或因电极的注入效应也可使这类材料具有一定的压电性。所有高分子压电材料中，PVDF具有特殊的地位，不仅具有优良的压电性、热电性和铁电性，而且还有优良的机械性能。(四) 压电复合材料6压电复合压料包括结晶高分子与压电陶瓷的复合物和非晶高分子与压电陶瓷的复合物。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，不易受损且可用于不同的深度。4 压电材料研究进展4.1 晶体压电材料压电器件及其应用的发展，取决于压电材料种类的更新和性能的提高。为了开发压电材料的新应用，在石英晶体之后，人们又研制出了罗息尔盐、KDP、ADP、EDT、DKT和LH等多种压电晶体。但是由于它们的性能往往存在某种或某些缺陷，例如罗息尔盐易水解等，所以随着人造石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些晶体现在大多已基本上不用了。现在石英晶体仍是最重要，也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除了石英之外，性能好并目使用量大的压电晶体是铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)，它们大量地用作SAW器件，例如SAW滤波器、振荡器、延迟线以及SAW相关器和卷积器等。我们国家的LiNbO3单晶研究始于1968年，相继开展了结构分析、缺陷分析、原材料的纯化、晶体性能测试以及晶体的电、声、光方面的应用研究等。四川压电与声光技术研究所是国内开展LiNbO3单晶研究的最早单位之一，所生长的棒状LiNbO3单晶长达350mm，直径达120mm，重量近4kg，并且单晶的质量优良，获得了四川省和电子部优质产品奖，且远销国内外，深受广大用户的欢迎。近年来，对弛豫型铁电单晶铌镁酸铅钛酸铅(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3（缩写为PMN-PT）的研究非常引人关注。弛豫铁电体(1-x)Pb(B1B2)O3-xPbTiO3(B1=Mg,Zn,Ni,Fe,Sc,In;B2=Nb,Ta,W)是具有复合钙钛矿结构的二元固溶体。据美国国防部海军研究办公室(ONR)估计，新型压电单晶不仅在医用超声设备中每年可以直接产生20亿元的效益，而且在声纳系统中的水声换能器中具有非常重要的应用。从1997年开始，美国海军组织了PMN-PT单晶及其声纳应用方面的许多高强度的研究项目。弛豫型铁电单晶材料具有高的d33、g33、k33、33和较低的电损耗，可用于高效率发射和高灵敏度接收水声换能器，大大提高水听器和鱼雷探测器的探测距离，提高国防能力，另外它还可以应用在大应变的驱动器、微位移器、机器人等场合。弛豫型铁电单晶材料批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。4.2 压电陶瓷材料BaTiO3是最早发现的压电陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的压电性设计鱼群探测器，其最大的缺点是谐频温度特性差。但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO3中的Ba，可以改进BaTiO3陶瓷的温度特性，故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO3压电陶瓷。像BaTiO3那样的单元系压电陶瓷，还有PbTiO3和PbZrO3等。PbTiO3陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高(490)、各向异性大(c/a=1.064)和介电常数小(=200)等特点。另外，它的谐频温度特性也比较好，并且频率常数比PZT高，所以是一种很有前途的高温高频压电材料。但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiO3压电陶瓷，因为PbTiO3陶瓷烧结后，冷却到居里点(490)时易出现微裂纹，甚至破碎。所以人们往往采用引入添加物的方法对其进行改性。现在用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiO3陶瓷，都具有良好的压电性能，是生产高频压电滤波器的优良材料7-8。锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种。PZT的机电耦合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度(300)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者是通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素来改性，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷，如PZT-4、PZT-5、PZT-6、PZT-7和PZT-8等。PZT陶瓷的出现，是压电陶瓷发展史上新的里程碑，其大大提高了压电陶瓷的性能并扩大了其应用范围。除了PZT之外，二元系压电陶瓷还有(Pb,Ba)NbO3、(Na,K)NbO3和(Na,Cd)NbO3等，都是比较适用的压电材料。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，应用领域更加广泛。大功率压电陶瓷材料是以高机械品质因数(Qm)、机电耦合系数(Kp)和低介电损耗(tan)等为特征的综合性能优越的压电陶瓷，在近些年成为压电陶瓷材料领域里研究的热点之一。纯的PZT材料的Qm和Kp是一对相互制约的因素，一个高另一个必然低。所以目前在大功率压电材料的研究领域中，研究者的目光大都集中在碲锰酸铅(PMS)、铌锰酸铅(PMN)、铌锌酸铅(PZN)等组元和PZT组成的三元、四元和多元系的研究上9。同时大量研究也表明，各种弛豫铁电体与PZT陶瓷相组合，以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性，可获得高介电、高压电性能的材料，这使得压电陶瓷的研究前景更为广阔。4.3 压电高分子材料压电高聚物的发展已经有三四十年的历史，自居里兄弟在石英晶体中发现压电性后，人们相继在无机物内发现了大量天然和人工的压电单晶、陶瓷及薄膜，而突破无机物领域在有机物体上发现压电性能最早出现在Briain(1924)的论文中。Briain研究了包括硬橡皮、赛璐珞等各种绝缘材料的压电性。1965年Harris和Allison等实现了塑料的冲击感应极化，随后对生物高分子压电性的研究日益广泛。很多人曾对木头、丝、骨头、肌肉等以及核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)进行了研究，发现其具有一定的压电性。Peterlin等在1967年观察了滚延聚偏氟乙烯(PVDF)的值，也确认了它的压电性。以PVDF为代表的压电高聚物薄膜压电性强、柔性好，特别是其声阻抗与空气、水和生物组织很接近，因此PVDF在许多技术领域都有适用性，特别是用它制作用于液体、生物体及气体的换能器，可获得比用其它压电材料制作的换能器更好的阻抗匹配。用PVDF材料可制成各种换能器，如微音器、耳机和扬声器等声换能器；用于固体、液体和气体的超声换能器、医用换能器和开关器件等；PVDF有机压电薄膜还具有相当优良的热电性，使其在这一领域也能发挥作用。如今，PVDF及其它高聚物已作为一种极有前途的新型压电材料而制成各种电器元件，开始向科技和产业方向拓展7-8,10。4.4 压电复合材料材料科学的发展象许多领域的发展一样，都有一种曲线规律11。一种新效应被发现后，在没有认识到它的重要性之前，发展是相当缓慢的。但是一旦人们认识到它的重要性即进入快速发展阶段。这时便开发出许多实际的应用，从而又相应地发现许多新的材料，接着新材料又会带来更多的新应用。然而经过一个时期便又会进入饱和阶段。目前材料科学的不少领域都处于饱和阶段。PZT压电陶瓷作为很好的换能器材料已30多年，BaTiO3作为优良的高介材料几乎达40年之久。磁性材料和半导体都有类似的趋势。过去十几年中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。于是人们进行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某些性能的复合材料。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）以及其它压电材料与聚合物的复合材料等。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。复合材料的优点是在某些方面能突破原有材料的最佳性能而获得远比此为高的材料。例如用PZT/硅橡胶制成的复合材料，其压电电压系数g33达30010-3Vm/N，比PZT大15倍，并且具有有机材料的某些优点：柔顺、易制成大面积和复杂形状的器件、声阻抗低、易和液体及人体匹配。又如将两种温度系数相反的材料复合，例如PZT53/47和PZT40/60的温度系数分别为正的和负的，把这两种不同组分的PZT陶瓷制成“2-2”连通模式的夹层结构复合材料，其温度系数几乎接近于零12。另外，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。5 压电材料应用可以毫不夸张地说，压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。下面简要介绍几种有关压电材料的应用。5.1 压电振子与压电陶瓷频率控制器件极化后的压电陶瓷，即压电振子，具有由其尺寸所决定的固有振动频率，利用压电振子的固有振动频率和压电效应可以获得稳定的电振荡。当所加电压的频率与压电振子的固有振动频率相同时会引起共振，振幅大大增加。此过程交变电场通过逆压电效应产生应变，而应变又通过正压电效应产生电流，实现了电能和机械能最大限度地互相转换。利用压电振子这一特点，可以制造各种滤波器、谐振器等器件。这些器件具有成本低、体积小、不吸潮、寿命长，频率稳定性好，等效品质因数比LC滤波器高，适用的频率范围宽，精度高，特别是用在多路通讯、调幅接收以及各种无线电通讯和测量仪器中能提高抗干扰能力。所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器，而且这一趋势还在不断发展中13。5.2 压电变压器压电变压器是利用压电效应的电能和机械能相互转换的特性制备而成，由输入端和输出端两部分组成，其电极化方向相互垂直。输入端沿厚度方向极化，施加交变电压后作纵向振动，由于逆压电效应，输出端就会有高压输出。压电陶瓷变压器是一种新型固态电子器件，与传统的电磁式变压器相比具有结构简单、体积小、重量轻、变压比大、稳定性好、无电磁干扰及噪声、效率高、能量密度大、安全性高、无绕组、不可燃烧、无漏磁现象及电磁辐射污染等的优点。依据压电陶瓷变压器的工作模式可分为如下几类：Rosen型压电陶瓷变压器、厚度振动模式压电陶瓷变压器、径向振动模式压电陶瓷变压器等。近年来又出现了一些性能更好的压电变压器，如两输入端的三阶振动模式Rosen型压电陶瓷变压器和大功率多层压电陶瓷变压器。目前压电陶瓷变压器主要用作AC-DC、DC-DC等功率器件及高压发生器件上，如液晶显示器中的冷阴极管、霓虹灯管、激光管和小型X光管、高压静电喷涂、高压静电植绒和雷达显示管的驱动等14-17。5.3 压电超声马达压电超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，将材料的微变形通过共振放大，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动，无需通常的电磁线圈的新型微电机。与传统电磁马达相比，具有成本低、结构简单、体积小、高功率密度、低速性能好（可以实现低转速运行而不用减速机构）、转矩及制动转矩大、响应快、控制精度高，无磁场和电场，没有电磁干扰和电磁噪声等特点18。压电超声马达由于自身的特点和性能上的优势，广泛应用于精密仪器、航天航空、自动控制、办公自动化、微型机械系统、微装配、精密定位等领域。目前，日本在该领域处于技术领先地位，已将压电超声马达普遍用于照相机、摄像机的自动调焦，并形成规模系列产品。5.4 压电换能器压电换能器是利用压电陶瓷的压电效应和逆压电效应实现电能和声能的相互转化。压电超声换能器就是其中的一种，它是水下发射和接收超声波的水声器件。处于水中的压电换能器在声波的作用下，换能器两端会感应出电荷来，这就是声波接收器；若在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动，发射声波，这就是超声波发射器。压电换能器在工业中还被广泛用作水中导航、海洋探测、精密测量、超声清洗、固体探伤以及医学成像、超声诊断、超声疾病治疗等方面9。当今压电超声换能器的另一个应用的领域是遥测和遥控系统，其具体应用实例主要有：压电陶瓷蜂鸣器、压电点火器、超声显微镜等。5.5 压电传感器5.5.1 压电式压力传感器抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿070，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。5.5.2 压电式加速传感器压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。压电式加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。5.5.3 压电触觉传感器为了克服机器人触觉传感器的不足，开发具有高灵敏度、低价格、高耐磨度的触觉传感器具有重要意义。文献19设计了一种高性能压电陶瓷-金属复合触觉传感器。该传感器仍采用前述Moonie型结构，且在作为触摸面的金属顶盖上加有弹性保护层，而在另一金属顶盖上加有基底层。这种传感器触到物体时，其接触压力被金属顶盖转换为压电陶瓷轴向压缩力和径向拉伸力，从而能产生大的有效d33g33值，大大提高了触觉灵敏度。为了感觉被触物体接触面轮廓及形状，传感器采用复合阵列结构。该结构图像分辨率取决于阵列中触觉传感单元的分布密度。压电陶瓷两面的铜电极相互垂直，其交叉处即为一敏感元。该传感器具有以下特点：(1)由其结构可知，它的敏感性高而动态范围宽；(2)因压电陶瓷是封闭在铜顶盖中，所以有强的耐磨性和耐冲击性；(3)由于该传感器的容性强，因而有较高的可靠性。此外，还由于结构简单、制作方便和成本低，故具有实用化的可能。5.5.4 压电超声传感器压电超声传感器实际上是一种压电超声换能器。所谓换能器，是将一种形式的能量转换成另一种形式能量的装置。传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制等要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。压电超声传感器是一种电力声能量转换的器件。压电超声换能器用于医疗设备已很久了，并且获得了大量应用。最近，美国密苏里一罗拉大学陶瓷工程系的W.Huebner教授研制出一种微型压电陶瓷传感器，它比人的头发还要细小。可以将它用来帮助医生探测病人的心脏附近，如冠状动脉，具有潜在致命危险的胆固醇的累积情况。使用时，将这种十分细小的传感器插入动脉血管并通过微细光缆输送到心脏部位，利用高频超声和这样的传感器来诊断有生命危险的胆固醇堵塞部位的位置和厚度，为在血管内采用激光外科手术将其清除铺平道路19-20。以上是一些常见的传感器应用，其它的一些压电传感器的产品及用途如下表1：表1 压电材料在传感器中的应用传感器类型生物功能转换用 途压 电 材 料力敏触觉力电微拾音器、声纳、应变仪、点火器、血压计、压电陀螺、压力和加速度传感器SiO2,ZnO,BaTiO3,PZTPMS,罗息盐热敏触觉热点温度计BaTiO3,PZO,TGS,LiTiO3光敏视觉光电热电红外探测器LiTiO3,PbTiO3声敏听觉声电(压)振动器、微音器、超声探测器、助听器SiO2,压电陶瓷声光声光效应器PbMoO4,PbTiO3,LiNbO35.6 其它应用21-27香烟、煤气灶、热水器、汽车发动机等的点火要用到压电点火器；电子手表、声控门、报警器、儿童玩具、电话要用压电谐振器、蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合，要用到能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，甚至压电风扇；收录机要用压电微音器、压电扬声器；照相机和录像机要用到压电马达等等。压电器件不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也同样获得了大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。压电材料还可以应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。总之，压电材料的发展极为迅速，广泛应用于压电滤波器、微位移器、驱动器和传感器等电子器件中，在卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域都有着重要的地位。目前，压电材料又被广泛地应用在智能结构（也称为灵敏结构）中，在开发下一代高性能机械、航空器和航天器的研究中，科技工作者投入了越来越多的注意力。6 压电材料发展趋势新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化。性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。目前压电材料主要研究热点集中在弛豫型单晶、多元体系复合材料等几个方面。6.1 弛豫铁电单晶体2002年H.C.公司制备和发展了PMN-0.300.33PT（用于小信号）和PMN-0.270.30PT（用于大信号）的PMN-PT材料，表2和表3分别为大小信号下PMN-PT单晶和PZT陶瓷的性能比较28。从表中发现弛豫型铁电单晶材料具有较高的g33、d33、k33、33和较低的电损耗，其综合性能比PZT陶瓷更加优越，大大提高了水听器和鱼雷探测器的探测距离，弛豫铁电单晶材料的批量生产将大大的促进压电材料的快速发展。表2 小信号下PMNT单晶和PZT陶瓷的性能比较材料(kg/m3)33/0g33(10-3Vm/N)d33(pC/N)k33PZT-5H CeramicNavy Type 75003400205930.75PMNT Single crystals8050111002928800.93表3 大信号下PMNT单晶和PZT陶瓷的性能比较材料(kg/m3)33/0tgd33(pC/N)k33PZT-5H CeramicNavy Type 760010000.0042250.75PMNT Single crystals800073000.02519000.936.2 高居里温度陶瓷压电材料的应用领域中包括冶金、航天航空、石油化工等工业和科研部门，应用于这些地方的材料要求具有较高的居里点，而PZT基压电陶瓷的居里温度一般只有300-600，无法满足要求，故需要研制高居里点且压电性良好的压电陶瓷。目前此类陶瓷的研究热点主要是BiScO3-PbTiO3(BSPT)、碱金属铌酸盐和具有非钙钛矿结构的偏铌酸铅三种体系。表4 (1-x)BiScO3-xPbTiO3体系陶瓷的压电性能含量结构Tc()33Td33(pC/N)kpX=0.62三方4409002900.49X=0.64MPB45020104600.56X=0.66四方46013702600.43表4是中BSPT体系在MPB处的居里温度达到了450，具有较高的介电和压电性能。表中高出PZT近100的居里点使得BSPT材料可以应用于更高的温度环境。碱金属铌酸盐铁电材料在高温下具有一定的流动性，影响了该材料的压电性能，2004年科学家们成功制备了居里点在450的(1-x)LiNbO3-x(Na,K)NbO3体系陶瓷，并使之成为高居里温度陶瓷的又一研究热点。具有非钙钛矿结构的偏铌酸铅29的居里温度高达570，且具有经受接近居里点的高温而不会强烈的去极化，对静水压有较高的响应，机械品质因素特别低等优点，特别适用于制作宽带、耐高温高静水压的换能器。6.3 压电复合材料压电复合材料是指由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。压电复合材料比原来的单相材料要复杂，物理性能方面的相加性、综合性和乘积性弥补了单相材料的不足。已开发研制的压电复合材料有0-3型、1-3型、2-2型、3-3型等一系列压电复合材料，其结构由简单到复杂。压电复合材料是为了满足水听器的性能要求而发展起来的，目前主要用于大面积水听器基阵，水下接收和发射单元等器件。现今压电复合材料的研究成果丰硕，但存在以下问题：极化处理工艺、复合材料在较高压力下的退极化问题、压电复合材料除外的其他耦合模式开发与应用、压电陶瓷相压电性能的提高、压电复合材料理论模型的进一步完善和应用研究31。若要大幅度提高材料的性能或在提高材料性能方面有一个创造性地突破，就必须不局限于两相材料的研究，提出具有创新的要领和新思想，才有可能获得新的突破。6.4 三元及多元系压电陶瓷以PZT陶瓷为基础，加入各种元素制成三元系、四元系等压电陶瓷。目前发展的比较成熟的三元系陶瓷有PMN-PZN-PT、PMN-PZT，四元系的有PMN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT、PZN-PNN-PZT30。多元系压电陶瓷具有以下优点：能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，应用领域更加广泛。在近些年，大功率压电材料以高机电耦合系数，高机械品质因数和低介电损耗成为压电陶瓷材料领域里的又一研究热点。6.5 细晶粒压电陶瓷以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多晶粒组成的多晶材料。在高频器件以及超低压致动器和微机电系统应用方面，这样的尺寸不能满足需要。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做得更薄，以提高阵列频率。降低多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器的性能都非常有益。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料的研究和应用正成为近期的热点9。6.6 无铅压电陶瓷材料目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中氧化铅约占70%左右。由于氧化铅有毒，高温下易挥发，从而这类材料在制备、使用及后续废弃处理过程中都会给环境和人类生活带来危害。随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，发展环境协调性的无铅铁电压电陶瓷材料及技术是材料发展的趋势之一。目前对BaTiO3、钛酸铋钠(BNT)、铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作。但总体上讲，无铅压电陶瓷与铅基压电陶瓷相比，还存在较大的差距，要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系压电陶瓷，还需要进行大量深入的研究工作31。7 结论1880年居里兄弟发现了压电效应，从而开创了压电学的历史。但是压电材料真正获得广泛的应用还是在1955年发现压电陶瓷之后。压电器件最早采用的材料是石英晶体，接着是BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等压电陶瓷以及铌酸锂、钽酸锂和氧化锌等压电晶体。压电材料是一种重要的电子材料，其广泛应用在信息、激光、导航和生物等高技术领域，成为目前国际竞争的热点之一。弛豫型铁电单晶、高居里温度压电材料、精细陶瓷和无铅压电陶瓷研究和制备技术的发展，将为压电材料的应用开辟更加广阔的前景。参考文献1 闫迎利. 压电效应及其应用J. 安阳师范学院学报, 2001,(2):44-45.2 周馨我. 功能材料学M. 北京:北京理工大学出版社,2002.3 贺江涛. 压电晶体及其应用J. 压电与声光,1991,13(1):26-30.4 李晓娟,李全禄,谢妙霞,郝淑娟. 压电陶瓷材料的发展及其新应用J. 陕西理工学院学报,2006,22(1):8-13.5 孙建丽,刘廷华. 压电高聚物材料的发展及应用J. 塑料工业,2005,33(S1):46-48.6 马乐山. 压电复合材料及其应用J. 功能材料,1998,10:479-481.7 张传忠. 压电