无铅压电陶瓷材料改性研究的现状

郭 璐

（武汉职业技术学院机电工程学院 湖北 武汉 430074）

1 引言

压电陶瓷是具有可以将机械能与电能相互转换的压电效应的一类电子陶瓷，在机械作用下发生极化，介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，出现正压电效应；相反，如果在介质极化的方向施加电场，压电陶瓷会在某一方向上产生机械形变。压电陶瓷是非常重要的功能材料，已经被广泛应用于国防军事、航空航天、信息通讯、医疗设备、舰艇声呐、高速列车、石油化工等各个领域[1]。

压电陶瓷材料可分为铅基压电陶瓷和无铅压电陶瓷，铅基压电陶瓷的材料体系主要有锆钛酸铅（PZT）基陶瓷，无铅压电陶瓷的材料体系主要有铌酸钠钾（KNN）基陶瓷、钛酸钡（BT）基陶瓷、钛酸铋钠（BNT）基陶瓷、铋层状陶瓷以及钨青铜结构陶瓷[2]。无铅压电陶瓷环境协调性好、污染少，是压电材料研究的热门方向，但其表现出来的压电性能还不能达到或超过含铅陶瓷。为此，科研工作者针对无铅压电陶瓷改性做了大量研究工作，以下将从三个方面介绍无铅压电陶瓷改性研究的现状。

2 掺杂改性

大多数压电陶瓷的结构为ABO3型，通过掺杂取代A、B位或A/B位同时取代，可以提高电学性能。另外，由于陶瓷晶粒在准同型相界附近具有更多偏转方向，陶瓷更容易被极化。通过掺杂可以将压电陶瓷准同型相界由高温区移至室温附近，从而提升室温下陶瓷的压电性能。

钛酸铋钠陶瓷Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）具有剩余极化强、压电性能好等优点，备受无铅压电陶瓷研究者的关注。然而，其居里温度高，极化困难。学者用Ba2+对BNT进行A位置换，制备了BNBT系压电陶瓷，使BNT极化不再困难，获得性能优异的新体系。刘宵[3]等采取Bi、Co的A/B位双取代钛酸铋钠基压电陶瓷，研究A/B位缺陷对电滞回线和电致应变的影响，结果表明掺杂量的增加使铁电弛豫相转变温度降低，应变增加。

3 引入不同组分，形成多元体系

研究者在BNT中引入BaTiO3，形成性能较好的BNT-BT二元体系，通过对BNT-BT第二组元进行B位复合离子置换，制备了改性的BNT-BT系列陶瓷。杨博琛[4]等在此基础上，以Al、Sb等元素对BaTiO3进行B位复合置换，将获得的第二组元Ba(Al0.5Sb0.5)O3与BNT复合，并研究了Ba(Al0.5Sb0.5)O3的添加量对BNT陶瓷的介电、压电等性能的影响。对于铌酸钠钾（KNN）陶瓷体系，由于其较高的居里温度和优异的压电性能，最有可能取代铅基压电陶瓷，研究结果也表明通过引入组分，构建多相共存体系对KNN压电性能提高最为明显。赵林[5]等探讨了Bi0.45Nd0.05(Na0.92-Li0.08)0.5ZrO3（BNNLZ）对KNN基陶瓷相结构和性能影响。结果表明BNNLZ的加入使陶瓷中形成三方-四方共存相，当添加量为0.06时，陶瓷体系具有最佳压电性能。为了获得更优良的电学性能，科研工作者在形成的多元体系基础上再进行掺杂改性。

4 织构化

通过掺杂改性提高陶瓷的压电性能有限，织构化是能大幅提高陶瓷材料性能的有效途径。织构化是指通过一定的微结构调控制备工艺，使陶瓷材料中各向异性的晶粒沿着某些特定方向进行规则排列，择优生长，改变材料微观结构，从而使材料必要的性能在特定方向上得到提升。Zhang[6]等用BNT模板对0.91(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3-0.03AgNbO3陶瓷进行织构，在相对较低的电场下(50kV/cm)获得了高达766pm/V的d33*值，相比同组分随机取向陶瓷提升了78%。

5 结语

随着时代的发展，极端的环境和使用精度都对压电陶瓷的性能提出更高要求，改性研究成为科研工作者热衷的课题。对压电陶瓷改性研究包括三个方面：（1）对陶瓷体系进行掺杂改性；（2）通过引入一种或多种组分，是陶瓷材料形成多元固溶体，也有科研工作者在引入组元的同时又进行了掺杂改性；（3）制备工艺的优化，改变陶瓷晶粒的相结构或者改善材料的显微结构，从而使其电性能提升。为进一步满足电子元器件更严苛的要求，今后压电陶瓷材料的发展方向为：（1）无铅化与环境协调性；（2）小型化与微型化；（3）集成化与模块化。