压电材料的研究与发展

学术论坛 !!!!型Q：!! ScIenceandTechnOIOgyInnOvationHera|d 压电材料的研究与发展 付博王辉孙杰 (中国电子科技集团第49研究所150001) 摘要：本文着重阐述了压电陶瓷材料的性能参数和各种特性以及现在对压电陶瓷的应用和压电陶瓷的发展方向，进而，从时代的角度出 发，阐述压电陶瓷复合材料和纳米压电陶瓷材料的必然发展趋势。 关键词：压电陶瓷材料 压电效应 压电复合材料 纳米材料 中图分类：TM282 文献标识码：A 文章编号：1674—098x(20n7)12(b)一020卜01 1压电陶瓷的性能 近年来，随着压电陶瓷应用领域的不断扩 大，压电陶瓷作为一种精密驱动器件，其自身 的性能日益受到关注。压电陶瓷的性能可以 从力学和电学方面进行，而各种力学电学 参数又是各种特征的表征。 1．1陶瓷的性能参数 机械品质因数。机械品质因数是描述压 电陶瓷在机械振动时，内部能量消耗程度的一 个参数，这种能量的原因主要在于内耗。品质 因数越大，能量损耗越小。 机电耦合系数。机电耦合系数是一个综合 反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的 物理量，是衡量压电陶瓷材料性能的重要参数。 弹性系数。根据压电效应，压电陶瓷在交 变电场作用下，会产生交变伸长和收缩，从而 形成与激励电场频率相一致的受迫机械振动。 对于具有一形状和大小和被覆工作电极的压 电陶瓷体称为压电陶瓷振子(简称振子)。实际 上振子谐振时的性变是很小的，一般可以看作 是弹性形变。反映材料在弹性形变范围内应 力与应变之间关系的参数为弹性系数。 压电常数。压电常数是压电陶瓷重要的 特性参数，它是压电介质把机械能转换为电能 机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。常 见的4种压电常数：d。g。e。h；；(i=1， 2，3，4，5，6)。足标(i)表示电学参量的方向，足 标(j)表示力学量的方向。 1．2电陶瓷的特性 位移特性。近年来，许多研究人员对压 电陶瓷的位移特性进行了研究，利用归一化模 型发现压电陶瓷位移与外电场强度及电极化 强度有关，并且给出了压电陶瓷位移和电场强 度的特性曲线存在迟滞的原因，并采用控制电 介 电 常 数 一 120 lOO 80 60 40 20 O O．2 O．4 O．6 0．8 陶瓷质量分数／％ 图l 钛酸钡质量分数与介电常 温度t／℃ 图2 不同组分PZT／PVDF温度介电常 极化强度的方法减少迟滞。 温度特性。在高精度定位及某些特殊应 用场合，压电陶瓷的温度特性也是容易忽视的。 压电陶瓷的温度特性主要表现在两个方面： 线膨胀这是指压电陶瓷随着温度的变化 而伸长的特性，由于叠堆型压电陶瓷司机是由 多片压电陶瓷片粘接而成，因而其线膨胀系数 既受压电陶瓷片的影响，也受陶瓷片之间连接 材料的影响。 (1)温度对压电、电致伸缩效应的影响 压电／电致伸缩陶瓷的输出位移随着温 度的增加而减小，压电陶瓷的减小幅度较小， 在0～50℃范围内减小65％压电／电致伸缩陶 瓷的迟滞也随温度而变化，压电陶瓷的变化较 小，电致伸缩陶瓷的变化较大。电致伸缩陶瓷 的温度特性限制了其在高精度定位领域的应 用。 (2)迟滞特性 压电陶瓷在光学、精密加工等领域得到 广泛应用，但是由于其存在迟滞、蠕变及非 线性等缺点，给其控制带来了困难，而且在很 多场合压电元件都被当作线性元件使用。压 电陶瓷的迟滞一般在l4％左右，且随温度变 化，压电陶瓷的迟滞变化不大。 介电特性：不同含量的压电陶瓷与介电常 数的关系，如图1所示。 温度与介电常数的关系，如图2所示。 2压电陶瓷的新工艺 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。如前所述，如果 没有精细陶瓷的制备工艺，压电陶瓷变压器就 难以获得大量的应用。为了改进压电陶瓷的 微观结构，提高材料性能，近几年来，许多国家 都在积极开展高技术陶瓷及其粉体制备工艺 的研究和生产。高技术陶瓷，日本称之为精细 陶瓷，是继金属和塑料之后的第三代新材料。 根据商业通讯公司(BBC)的调研结果，目前对 开发能够生产径分布很窄的化学纯亚微米粉 体的合成技术的需求越来越迫切。这些合成 精细陶瓷的新工艺虽然比现有的粉体生产方 法要贵些，但是这些新的粉体作为精细陶瓷工 业升级产品是具有很大竞争力的，因为精细陶 瓷商品化的关键因素是起始粉料，对于某些电 子陶瓷来说，陶瓷元件的典型缺陷往往是粉料 自身和在成形和致密化过程中产生的。粉料 处理和成形技术的改进，将会提高精细陶瓷产 品的可靠性并降低其成本。这样也必将促进 市场的发展。现在精细陶瓷已成为许多高技 术发展中不可缺少的基础材料，已经广泛地用 于微电子、新能源、汽车、宇航、工业以及海 洋、生物工程和机器人等高技术领域。 钛酸铅(PbTi0：)是一种钙钛矿(AB0，)结 构的压电材料，其铁电相变温度高(>490℃)， 居里温度高及介电常数低使这种陶瓷成为很 有用的高温高频用压电材料。此外，由于 PbTi0，陶瓷的横向和纵向机电耦合系数之间 有很大的各向异性，因此很适合制作高频(> 5MHz)换能器。然而，制备PbTi0，陶瓷的常 规方法，无法避免冷却时立方一四方相变中所 发生的微裂纹(内应力)现象。因此必须更好地 控制其微观结构，采用以乙醇草酸盐溶液为基 础的化学法能避免这种现象。用乙醇草酸盐 法制成的用La和Ca改性的PbTi0，陶瓷粉体 平均粒径为32nm，烧结密度大于理论密度的 99％，而La—PbTi0，和CaPbTi0，压电陶瓷 的烧结温度分别降至1150℃和1100℃。 溶胶一凝胶法已获得大量应用，特别是在 陶瓷薄膜的制备上。现在已能用溶胶凝胶法 制作纤维状的PbTi0，。先用溶胶一凝胶法 制备Ti0，一PbO化学原始粒子，然后将制成的 凝胶浆料挤压成纤维。将挤压成的纤维老化 和干燥之后，就获得了单块的Ti0，Pb0纤维 凝胶。为了促进液相烧结，而将LiF、CaF，和 Mn0，添加到最初的溶胶中，在以3℃／min的 升温速度，在大气中以1050℃烧结O．5h，即可 获得平均直径≤500um的纯PbTil03纤维。 另一项新工艺是利用氢氧化物和草酸盐共 沉淀，制备参杂的PzT压电超细粉体。该法比 常规方法更加可取是因为它能避免Pb0的挥 发，降低烧结温度(1100℃)。用这种工艺制成 的亚微米规格的粉体，烧成后的密度达98％，径 向耦合系数大于60％。德国的科研人员通过不 同的化学计量和组成来获得同质粉体是采用热 油干燥法。此法是将溶有合适原始粒子的溶 液，在约150℃下，一滴滴地输入到热的石蜡油 槽中，再用过滤法将干燥的沉淀物从油中过滤 出来，接着在500～700℃下进行分解。用这种 方法合成出的MTi03(M—Ba、Sr、Ca等)粉 体，是由直径50“m左右的团粒组成，平均粒 径100nm，在1000℃下煅烧2h后获得的表面积 为5m：／g。美国华盛顿大学的科研人员采用 共沉淀法并结合冷冻干燥工艺，合成了Pb (Zn【Tilx)03精细粉体。在冷冻干燥前，要先 清洗沉淀物，清除硝酸盐，然后将其分散在合适 的溶剂中，这些都是控制聚集成形的关键步骤。 焙烧之后，即可获得化学均匀的松散团聚粉体。 然后将这些不用研磨的粉体压实到具有细小的 纳米级孔隙分布的程度，并以800℃进行烧结。 这样可以获得超过理论密度98％的密度，而且 在烧结时大大地减少了Pb0的挥发。 参考文献 [1]杨大智．智能材料与智能系统，2000，12：30． [2]全国性建材科技期刊．陶瓷，2004，3． [3]钟川．新型超高位移陶瓷制动器[J]．压电与 声光，2004，16(6)：5455． [4]孙涛，孙立宇．光学精密工程，1998，8：26 32． 科技创新导报ScienceandTechnoIogyInnoVationHeraId20l万方数据