碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷性能及应用

1、碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷的性能和应用，目录，1。无铅压电陶瓷介绍，压电效应(压电性):一些介质在压力下会发生极化或极化变化。逆压电效应，导致晶体表面束缚电荷的变化：在压电体的适当方向施加外部电场将导致压电体的变形。1.1压电效应及其形成原因，电能，机械能，正压电效应，逆压电效应，压电性：具有压电效应的介质，具备压电条件，晶体结构没有对称中心。在32个点群中，21个点群没有对称中心，其中43个点群没有压电性，另外20个点群有压电性。此外，压电晶体还必须是离子晶体或由离子基团组成的分子晶体、应时晶体的压电模型和钛酸钡晶体中的电畴示意图(a)反平行180电畴；(b)垂直90电畴、自发极化和铁电畴、束

2、缚电荷和感应电荷、铁电性(磁滞回线)，1.2开发无铅压电陶瓷的原因，对于成人来说，铅的侵入将破坏神经系统、消化系统和男性生殖系统，并影响骨骼的造血功能。对儿童来说，因为大脑正在发育，神经系统正处于一个敏感时期。在相同的铅环境下，铅的摄入量是成人的几倍。当铅进入孕妇体内时，它会穿过胎盘屏障，影响胎儿发育，导致畸形、流产或死产。罗马帝国死于铅中毒？唐太宗死于炼金术？20世纪60年代，人们研究了其他具有钙钛矿结构的无铅压电陶瓷，主要是铌酸盐和钛酸盐，如铌酸锂-铌酸锂、铌酸锂-铌酸锂-铌酸锂等陶瓷体系，其中铌酸锂基陶瓷具有低密度、高声速、介电常数、机械品质因数和压电常数有很大的取值范围，但在铌酸锂基陶

3、瓷的烧结过程中，钠是易挥发的，其性能比铅差1.3无铅压电陶瓷的发展历史20世纪80年代，主要的无铅压电陶瓷体系有钛酸钡、钛酸铋钠、铋层状结构和铌酸盐基压电陶瓷。铌酸盐基钨青铜结构复合陶瓷的成分和结构差异对其铁电性能有重要影响。钨青铜结构的压电材料为铌酸锶钡单晶。作为陶瓷，关于压电和热释电性能的报道很少，利用模板生长(TGG)技术可以获得相对密度大于95%的“织构陶瓷”，具有较好的压电性能。20世纪90年代，无铅压电材料的研究体系主要集中在铌基压电陶瓷和类铋结构化合物上。在双层结构体系中，铋的主要层状结构是四价铋15(A为二价金属离子或复合离子，如钙、铋0.5纳0.5)。无铅压电陶瓷具有居里温度

4、高、介电击穿强度高、介电损耗低、性能各向异性大、温度和应力性能稳定的特点。铋层状压电陶瓷适用于高温高频领域，具有压电活性低、密度低、烧结温度高、极化困难等特点。近年来，从无铅压电陶瓷的研发成果和发明专利来看，具有钙钛矿结构的碱金属铌酸盐陶瓷体系和钛酸铋钠陶瓷体系是人们关注的焦点。热压法、活性模板法和放电等离子烧结法制备高性能无铅压电陶瓷也是一个研究热点和方向。由于许多无铅压电陶瓷具有特殊的成分或结构，传统的陶瓷制备技术很难获得高性能的陶瓷。2.无铅压电陶瓷的主要体系，2.1钛酸钡基无铅压电陶瓷的介绍，当钛酸钡当温度低于120时，晶体转变为四方4毫米点群，没有对称中心，八面体TiO6 _ 6团变

5、形，Ti4相对于O2沿第四轴移动12 ppm，Ba _ 2沿同一方向移动6 ppm。O2也偏离了规则的八面体。此时，每个单元电池都有自发的非零电偶极矩，晶体成为热释电体。钛酸钡陶瓷的缺点是居里温度低、工作温度范围窄、相变温度接近室温、使用不便，不能应用于大功率换能器，性能与压电陶瓷相差甚远，而且很难通过掺杂进行改性来满足不同的需求。烧结温度高(13001350)，很难用作电容器材料和PTC材料。介绍2.2 BNT基无铅压电陶瓷，钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(简称BNT)A位复合离子钙钛矿铁电体由斯摩棱斯基等人BNT于1960年发明，属于室温铁电三相。居里温度是320。优点：铁电性强，压

6、电性能好，居里温度高，介电常数小，声学性能好，烧结温度低(1200以下)。缺点：室温下BNT矫顽场大(Ec=73 kV/cm)，铁电相区电导率高，极化极为困难。此外，Na2O易吸水，烧结温度范围窄，使陶瓷的化学和物理性能稳定致密，(1-x)bi0.5 na 0.5 ti O3-xbi 0.5k 0.5 ti O3 bnt-bkt体系，(1-x)bi0.5 na 0.5 ti O3-xbi O3 BNT-Bt体系，(1-x) bi0.5na0.5tio3-xnanbo3bn体系2.3铋层状无铅压电陶瓷简介。该化合物的化学通式为(Bi2O3) 2 (am-1bmo3m1) 2-，其由二维钙钛矿层和

7、(Bi2O3) 2层组成，它们在负相中规则地交替排列。、a、b、m、bi3、Pb2、Ba2、Sr2、Ca2、Na、k、La3、Y3、U3、Th4等。适用于12配位离子或由它们组成的复合离子，以及Ti4、Nb5、Ta5、W6、Mo6、Co3、Cr3、Zr4等。对应于钙钛矿层(Am-1BmO3m 1)2-中的八面体层数，其值可以是15。铋层状结构化合物是一种重要的压电陶瓷，具有压电和介电各向异性大、机械品质因数高、谐振频率下时间稳定性和温度稳定性好的特点，常用于传感器、滤波器等。特别是在高温和高频环境下。铋层结构具有无铅压电陶瓷的优点，但这些材料具有破坏性相变。通过传统的烧结方法通常难以获得高密度

8、的陶瓷，并且需要特殊的烧结工艺，例如热成型技术。此外，它的矫顽场很高，成为应用的瓶颈。铋层状无铅压电陶瓷有缺点。2.4铌酸盐无铅压电陶瓷简介，碱金属钙钛矿铌酸盐陶瓷与钨青铜结构铌酸盐陶瓷，钨青铜晶体结构在(001)面上的投影，3。KNN基无铅压电陶瓷，与PZT、碱金属铌酸盐等铅基压电陶瓷相比。大频率常数；密度小，但由于钠、钾、锂等原子在高温下易挥发，用普通的陶瓷烧结工艺很难获得高致密度的陶瓷。3.1 KNN基无铅压电陶瓷的引入，反铁电的铌酸锂和铁电的铌酸锂可以形成完整的固溶体，并且结构仍然是钙钛矿结构。该系列陶瓷的居里温度相对较高(400)。良好的压电性能(d33可超过100 pC/N)，特别

9、是当钠/钾=0.5/0.5时，机电耦合系数达到峰值，压电性能良好的有3.2knn、氧化铜、稀土锰酸锂或少量氧化物如二氧化锰、三氧化二铬和氧化钴，掺杂改性的、3.2 KNN基无铅压电陶瓷，(K，n) nbo3 (1-x)(K，Na)NbO3-xAZrO3 (A=Ba，Ca，Sr) (1-x) (kKNN无铅压电陶瓷的制备技术，4.1传统陶瓷制备技术(固态法)，4.2模板晶粒生长技术，通过添加模板晶粒，在烧结过程中引导晶粒取向生长，根据模板晶粒是否参与反应，模板晶粒生长技术(TGG)，反应模板晶粒生长技术(RTGG)，晶粒取向工艺示意图，4.3火花等离子烧结(SPS)技术，SPS是一种新的材料烧结

10、技术。它是一种利用开关DC脉冲电流直接给烧结通电的压力烧结法。开关DC脉冲电流的主要功能是产生放电等离子体、放电脉冲压力、焦耳热和电场扩散。其主要特点是利用整体加热和表面活化实现材料的超快速致密烧结。对于KNN陶瓷，传统的烧结方法很容易造成钠和钾的流失。很难获得高密度的材料，但SPS技术具有加热速度快、烧结时间短的特点，且烧结温度低于常规技术(约920)，因此有利于控制烧结体的精细结构，可以获得密度高、晶粒均匀、压电性能好的材料。4.4溶胶-凝胶技术，在聚合物存在下，将聚合物溶解在无机物的前驱体溶液中，前驱体水解聚合形成网络，或者聚合物单体和无机前驱体同步聚合，得到有机-无机交织网络。通过应用

11、该方法，可以在低温下合成氧化物，从而可以制造不允许在高温下加热的产品，并且可以在原子或分子水平上均匀混合材料的各种组分，从而可以制备具有高压电性能的高度均匀和致密的材料。无铅压电陶瓷的应用前景目前，已投放市场的压电陶瓷产品主要分为以下几类：压电陶瓷产品、压电超声电机及驱动器、压电换能器、压电滤波器、压电点火器、压电变压器、压电应用三大类：无铅压电陶瓷的发展前景(肖)无铅压电陶瓷的压电起源研究；陶瓷材料的配方设计、相变研究和新相界设计；陶瓷材料的强化机理和控制方法；介电损耗机理和提高材料机械品质因数的方法可以满足不同器件中使用的系列材料(类似于压电陶瓷)的研发。摘要：不同外界条件(压力、频率、温度)下陶瓷材料性能的变化及机理，无铅压电陶瓷的发展前景(肖)续，掺杂对陶瓷性能及机理温度稳定性的影响，陶瓷器件的老化特性及机理无铅压电陶瓷材料特性及性能参数的设计与制备，特种器件用无铅压电陶瓷性能改性研究，新型陶瓷制备技术与工艺的稳定性与环境协调性研究， 附件：压电、热释电和铁电之间的关系与已开发的性能优良的含铅陶瓷体系相比，无铅压电陶瓷的K值仍有一定差距。 大多数设备应用要求材料具有较高的K值，尤其是作为换能器的最重要指标，例如发射效率和接收灵敏度，它们依赖于K，并且对于有用的振动模式要求较高的K值。由于高机电耦合系数k、高压电常数D和高机械品质因数Qm，无铅压电陶瓷的D值