铁电材料压电特性的研究现状[精选]

1、铁电材料压电特性的研究现状摘要铁电材料包含铁电、压电、介电、热释电等性质。所有铁电材料都同一时刻拥有铁电和压电两种性质。铁电材料的压电性广泛应用于压电陶瓷上，压电陶瓷具有很重要的不可替代的作用，应用最广泛的压电陶瓷有pzt（锆钛酸铅）。但是其含有的pbo对人体和环境有害，所以无铅压电陶瓷的开发有重要意义，并且目前该产业的开发趋向就是无铅压电陶瓷。本文大致描述了铁电材料压电特性的发展历程和目前的研究成果，详细概括了几种压电性铁电材料的特点研究进展和应用领域最后综述了压电材料在未来需要攻克的难题和对未来发展的展望。关键词铁电材料压电材料压电特性压电陶瓷无铅压电陶瓷research status o

2、f piezoelectric properties of ferroelectric materialsabstractferroelectric materials include ferroelectric, piezoelectric, dielectric, pyroelectric and so on.all ferroelectric materials have both ferroelectric and piezoelectric properties.the piezoelectricity of ferroelectric materials is widely use

3、d in piezoelectric ceramics,piezoelectric ceramics has a very important irreplaceable role,the most widely used piezoelectric ceramics are pzt.but it contains the pbo harmful to the human body and the environment,so the development of lead-free piezoelectric ceramics is of great significance,and the

4、 current trend of the development of piezoelectric ceramics industry is lead-free piezoelectric ceramics.this paper describes the development of piezoelectric properties of ferroelectric materials and the current research results,this paper introduces the research progress and application field of t

5、he piezoelectric properties of several ferroelectric materials in detail.finally, the paper summarizes the problems of piezoelectric materials in the future and the prospect of future development.key wordsferroelectric materialspiezoelectric materialspiezoelectric characteristicspiezoelectric cerami

6、cslead - free piezoelectric ceramics目 录第1章 引言1第2章 压电特性的原理3第3章 铁电材料压电特性的研究53.1 pzt的压电性能及改性研究53.1.1 通过掺杂改变压电性能63.1.2 采取特别的制作方法提高压电特性63.2 无铅压电陶瓷73.2.1 钛酸钡基（bt）压电陶瓷的研究现状73.2.2 钛酸铋钠基(bnt)无铅压电材料的改性研究83.2.3 碱金属铌酸盐（k1/2na1/2）nbo3，knn）系无铅压电陶瓷9结 论12致 谢13参考文献14第1章 引言20世纪20年代年法国人valasek在罗谢尔盐中发现了铁电效应，这是铁电材质研发的开始

7、。1935年busch发现了磷酸二氢钾，它的相对介电常数在30左右，比当时的其他材料高出很多。20世纪40年代年，batio3等含有钙钛矿构造的铁电材料相继被发现，这一年在铁电材料历史上是重要意义1。1980年以后，铁电唯象和软膜理论满满的健全，铁电晶体的研发逐渐固定下来。1985年，完善了薄膜制备技术，但是传统铁电体在尺寸上不能达到微型器件的预期，于是铁电体和半导体组合，研发工作人员们开始研究集成铁电体。铁电材料的物理特性很广泛，包括铁电、压电、介电、热释电等特性以及光电、声光、非线性光效应，主要用来制作铁电以及光电存储器和电容器件等，铁电材料宽广的开发景象使其受到很多关注。铁电材料可以既具

8、有铁电性又具有压电性。铁电性是说材料在特定温度下发生自发极化。压电性是说它能在机械能和电能之间互换。居里兄弟在1880年发现石英晶体中的压电效应之后，快速进行了压电材料的研发。压电陶瓷的平稳的化学性质、良好的物理性质、容易变性和极化的性质使它在振荡器、滤波器、传感器、电声转换器等方面得到了开发。压电陶瓷的开发领域渗透了平常生活、工业和军事的生产2。锆钛酸铅（pzt）的优秀压电特性是1954年美国的jaffe等发现的，之后将近30年，pzt都是最受欢迎的压电材料。由于电子新兴产业的推动，大家对压电材料的期望值一点点提高，所以研发多元压电材料以取代二元pzt3。一元系压电陶瓷有钛酸铅（pbtio3

9、）系压电陶瓷和锆酸铅（pbzro3）系压电陶瓷，二元系压电陶瓷有锆钛酸铅（pbtio3-pbzro3），1965年问世的pcm它由锆酸铅（pbzro3）钛酸铅（pbtio3）铌镁酸铅pb（mg1/3nb2/3）o3三成分配比而成。压电材料可以进行机械能电能互换，在市场上占有每年百亿元的份额，在电子产品、航天、声音传播、高客等方面都有应用。近50年以来，pzt以其优越性能被广泛应用。在pzt中，氧化铅（pbo）约占原料总质量的70%。pbo在温度过高和生产是会散发出有毒气体。含铅压电陶瓷在制作和应用时会造成人体和环境的污染，所以世界各国的专家开始寻求优秀的无铅压电陶瓷来取代pzt等含铅压电陶瓷4

10、。因为含铅材料的污染，欧盟、美国和我国等国家纷纷建立法律禁止使用含铅材料。所以，找到可以取代pzt的无铅压电材料是全球难题，它代表了一个国度的实力和财富最近几年主要开发的无铅压电陶瓷大概可以列为钙钛矿、铋层状结构和钨青铜三大系。钙钛矿系又包含：钛酸钡（batio3，简称是bt）压电陶瓷、碱金属铌酸盐（k1/2na1/2）nbo3，简记为knn）无铅压电陶瓷、钛酸铋钠（bina）tio3，简记为bnt）系无铅压电陶瓷。因为它们的框架和构成不相同，所以这些材料的压电特性也不相同。目前是从以下两个方向来改善压电陶瓷的压电性：（1）用不一样的制备方法和工艺来提升压电特性，并且能为目前提升压电性能的新技

11、术提供宽阔的前景。（2）通过掺杂不一样的化学组分来提高压电陶瓷的压电特性5。现在本文主要综述了铁电材料压电特性的原理、发展现状，以及各种压电材料的性能及改性研究。第2章 压电特性的原理铁电材料分外部和内部，内部晶体包含一些可以自发极化的电畴，没有外部电场时，晶体中的电畴分散紊乱，各个电畴的极化互相抵挡消除，这时候的极化程度是0。因此不加外电场时，压电陶瓷为中性，不具备压电特性。但是加入外部电场时，自发极化的电畴会转动，按照外部电场走向排序，使得材料具有极化性质。施加的外部电场越强，电畴会更多更多的向外部电场的方向转动。当外部电场到达让材料的极化程度饱和的强度时，或一切电畴的极化走向都与外部电场

12、的方向工整一样时，去掉外部电场，极化走向大部分不改变，这时的材料含有压电性。压电材料可以达到电能机械能互换，正逆压电效应组成了压电效应。压电材料包含正逆两种效应。与此同时，压电材料中，可以自发极化（一部分来源于离子直接位移；另一部分是由于电子云的形变）的材料为铁电材料，即具有压电特性的铁电材料6。压电效应在19世纪80年代，两位法国科研人源居里（curie）兄弟，发现了石英晶体一种特殊的现象，即如果在石英晶体上按照一个方向割下一块薄镜片，在它的表层加上电极，当晶片在被施加的作用力而发生变化后，两极表层会显现出相等量的正、负电荷。作用力撤销后，电荷也就消失了。因为机械力的施加使得晶体表层出现电荷

13、的征象，叫作正压电效应，即图2-1。之后学者又在另外一部分晶体中展开了相似的测试，证实了大部分晶体都包含这个征象。这一类含有压电效应的晶体称作压电晶体。1881年，在发现了正压电效应之后，居里兄弟在测试中证明了另一个物理征象：把压电晶体放在外部电场里，因为电场的影响，压电晶体会产生变形，而变化的巨细与外电场的巨细成正比例，电场撤销后，晶体变化也消散。这种因为电场的影响而使压电晶体发生变化的征象，叫作逆压电效应，即图2-2。测试表明，凡拥有正压电效应的晶状体，也肯定拥有逆效应，两者逐一呼应。压电材料大致可以分为三类：（1）压电陶瓷和晶体等无铅压电材质。（2）具有压电特性的聚合物。（3）复合压电材

14、料。在这三类中，压电陶瓷因其机能比其它的稳固，其适用范围又与大家的日常互相联系，因此压电陶瓷的适用比其它的更普遍。图2-1 正压电效应示意图 图2-2 逆压电效应示意图（实线表明变化前的状况，虚线表明变化后的状况） 压电陶瓷可以实现机械能电能互换，大部分为多晶体压电材料。然而铁电材质的压电原理和石英不一样，铁电陶瓷在没有经历极化的情况下不含有压电效应。如图2-3所示，晶体按照对称分为32个点群，铁电晶体是压电晶体中的亚族，是以铁电体必然具有压电性，压电性在铁电材料的应用中发挥重要的功能。图2-3 晶体点群中的分类本文所用到的表征压电特性的物理量为压电常数d33、介电常数、机电耦合系数kp、介电

15、损耗tan等。第3章 铁电材料压电特性的研究本文综述铁电材料主要从有铅压电材料和无铅压电材料两部分的特性进行展开，其中有铅压电材料介绍了以pzt为主的压电陶瓷的压电性能和改性研究，无铅压电材料主要从铌酸钾钠基(knn)、钛酸铋钠基(bnt) 还有钛酸钡基(bt) 陶瓷这三部分来介绍。3.1 pzt的压电性能及改性研究pzt可以做成好多种外形并拥有杰出的压电、介电和光电等电学性质，因为其制备工艺简单。在电子信息。航空等技术区域和机器、通讯等领域广泛应用。pzt压电陶瓷是由pbtio3和pbzro3构成的固溶体，它能实现机械能电能互换。它是优秀压电陶瓷材料，而今已成长为pzt系压电陶瓷。目前pzt

16、压电陶瓷是应用很普遍的具有压电性的材料，plzt、pmn、pzn 等是现实中使用广泛的电致伸缩材料。pbzro3和 pbtio3皆是钙钛矿型构造，居里温度分别为230和489，而且zr4+离子半径（0.82）和 ti4+离子半径（0.64）相差不多、化学性质类似，是以两种离子能以随意比例形成持续固溶体。通过如下3-1相图可以看出，在相变温度以下，zr:ti=52：48 附近，有一条准同型相界。从图中也可以看出在zr/ti为95/5的富含zr的区域,含有一条铁电-反铁电的界限，该构成的 pzt 包含特别的性能和用途。在pzt发现后，因其杰出的性能，变为大家压电材料的首选，使batio3时期很多不

17、可以制造的元件变为可能7。图3-1 pbzro3-pbtio3体系相图通过探求pzt系压电陶瓷发觉，调换组成或者是改变外部因素可在大规模调整pzt压电陶瓷的电性能。pzt这种压电材料的开拓在现代技术成长迅速的社会一直是学者们的热门话题，优化pzt压电特性在当前来讲主要是修改化学成分和变换制作方法。3.1.1 通过掺杂改变压电性能pzt压电陶瓷的最后性质可通过锆钛之间的比例来修改，然而只改变两者的比例不足以达到大家对压电特性的要求，而掺杂一部分其它元素能够更多的转变材料的特性。科研工作者经过把添加剂加入pzt材料中对其进行了改变性能的普遍测试。以期达到不一样的性质目标。添加剂主要可以区分为硬性、

18、软性、离子等试剂，研究pzt压电材料时可以增加一种或者多种试剂。硬性添加剂像al3+、na+、等添入到pzt后少量的负离子会从晶格内消失。pzt的介电损耗会随着硬性添加剂的加入而降低，其机械因数会提升，可应用于制作高能转化器件等等。软性添加剂有bi3+、la3+等试剂。它的本质是取代铅离子等。由此可以产生一些用以转换压电特性的正离子于晶格内。可以应用在制造灵敏程度高的元件比如传感器等。离子添加剂是指含cr离子和u离子等的氧化物，在锆钛酸铅固溶体晶格内体现的许多价态，并且pzt的退化速度随着离子的加入而变慢，但是介电损耗系数变高。所以，大家研究改变化成分来改变pzt的性质以适应日常生活的需求。当

19、前已经经过改变化学组分的办法得到了pzt-4、pzt-5a、pzt-6b等材料，其性能如表3-2所示。按照这三种材料压电特性的不同，可以把它们制成多种器件。改变化学组分可以深远影响pzt的性质，为了研发出杰出性能的pzt要加入许多离子，以期望达到细致的研究8。表3-2 pzt基压电陶瓷材料的性能3.1.2 采取特别的制作方法提高压电特性pzt的压电特性受到不一样的压制方式的干扰。对用一样的烧制方式做出来的材料，发觉pzt晶粒的大小因为制作方法的不一样而存在着显著差别，从而它们的压电特性也不一样。孟正华等人对不同的压制方法做了测试，图3-3（a）、（b）分别为电磁压制、模压制备的pzt样品，能从

20、图中得到电磁压制比模压得到的pzt晶粒要小，晶粒的接触面积变大，晶粒间的结合也更为紧密。由于精细的pzt可以具备杰出的压电特性，所以为了改变和完善其压电特性需要创新工艺9。图3-3 pzt显示电镜在不一样压制方法下的对比3.2 无铅压电陶瓷因为pzt含对人类和环境有危险的pbo，美国等欧洲国家和中国等亚洲国家纷纷成立相关法律限定含铅材料的应用。所以，世界的一大难题是探求可以取代pzt的不含铅的压电材料。这可以影响一个国家的经济和生产。无铅压电陶瓷基本上可以列为钙钛矿系、铋状层结构系和钨青铜系。迄今为止, 主要的无铅压电陶瓷体系有: batio3(bt)、binatio3(bnt)、(k, na

21、)nbo3(knn)、ba(ti, zr)o3-(ba, ca)tio3(bzt-bct)等。基本上所有的无铅压电材质都不能代替pzt，因为其压电性质都比很低。因此，世界各国开始了以铌酸钾钠基(knn)、钛酸铋钠基(bnt) 以及钛酸钡基(bt) 陶瓷等为对象的无铅材料的开发10。knn陶瓷方面：日本、瑞士等国家先后研制出了可以到达pzt标准的knn无铅压电陶瓷，然而其温度稳固、耐湿性等都不尽如人意，难以满足实用的要求11；bnt陶瓷方面：日本研制发表了极化强度和居里温度都比较高的bnt，可是由于其矫顽场极高，难以产生极化，并且bi3+易蒸发，不足以使样品精细，所以它的前景不是很明朗12。bt

22、 陶瓷方面：日本报道了利用晶体指定方法取得d33=788，但其固定性很低，也没有明朗的前景13。 1980年中国已经重视无铅压电陶瓷的开发。中国科学院上海硅酸盐研究所在国际上最先报道了nbt-bt及nbt-kbt等无铅压电陶瓷的准同型相界。最近几年，四川大学、清华大学、山东大学、电子科技大学、陕西师范大学等都相继开始了无铅压电陶瓷的开发，在knn体系压电陶瓷组分优化、准同型相界发掘和利用畴工程提升无铅压电陶瓷的性能等领域获取了令人羡慕的结果。西安交通大学科研人员提出大压电效应的新论题，在这个论题的基础上发现了超过pzt的大压电效应的无铅压电陶瓷。由此可见，无铅压电材料已经在很多开发之后收获了成绩，如今的研发热门是怎样获得一种能够完全取代pzt的无铅材料，并且能从性能上表明取得了压电效应的机理性质。3.2.1 钛酸钡基（bt）压电陶瓷的研究现状很久之前就获得的abo3型钙钛矿框架结构的材料是钛酸钡。因为batio3含有铁电、压电、介电、热释电和光电性而普遍应用于陶瓷电容器、介质放大器。它包含比较高的机电耦合系数，较大的介电常数、中等的机械品质因数和很小的消耗。然而batio3压电特性水平不高是因为它的居里