無鉛壓電陶瓷發(fā)展現(xiàn)狀

袁勇堂 王曉東 施辰昊 賈凱旗 霍原非

摘要：壓電陶瓷具有優(yōu)良壓電性，在各個領域中表現(xiàn)出來不可替代的優(yōu)勢。本文選取了主要的無鉛壓電陶瓷研究進展，并且著重闡述了KNN基與BT基壓電陶瓷的現(xiàn)存問題，并對將來發(fā)展做出展望。

關鍵詞：無鉛壓電陶瓷;研究進展;KNN基;BT基;現(xiàn)存問題;展望

1 前言

壓電陶瓷是一種具有壓電特性的電子陶瓷材料，因其有優(yōu)異特性，利用廣泛。鉛基壓電陶瓷往往有優(yōu)良的綜合性能，由于其中含有鉛元素，較容易造成環(huán)境污染，目前大多應用于高端行業(yè)領域。隨著各國增強了對環(huán)境的保護意識，無鉛壓電陶瓷已成為環(huán)保壓電陶瓷的關鍵。無鉛壓電陶瓷具有無污染、有與鉛基陶瓷相稱的壓電性能、并且具有適應高溫、高功率的性能，成為熱門環(huán)保壓電陶瓷。

無鉛陶瓷研發(fā)時間較長，但其性能卻仍不能比傳統(tǒng)的鉛基壓電陶瓷優(yōu)越，還有難以批量生產(chǎn)的問題。本文綜述主要壓電陶瓷發(fā)展現(xiàn)狀與現(xiàn)存問題，為科研工作者提供改進無鉛陶瓷的方向，推進無鉛陶瓷取代鉛基陶瓷的進程，實現(xiàn)降低環(huán)境壓力的目的。

2 根據(jù)無鉛壓電陶瓷材料的基礎材料進行分類

目前，主要的無鉛壓電陶瓷體系有：KNN基、BT基、BNT基壓電陶瓷。

2.1 KNN基無鉛壓電陶瓷研究現(xiàn)狀

KNN基無鉛壓電陶瓷（K，Na）NbO3是處于現(xiàn)有的三大無鉛壓電陶瓷體系中有最高居里溫度和優(yōu)異的壓電性質(zhì)的材料，也作為最早實用化的一項無鉛壓電材料。并且KNN基壓電陶瓷制造材料成本比較廉價，與鎳電極也有很好的匹配特性，這將推進各個行業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?，成為當前熱門的無鉛壓電陶瓷材料，常用于壓電驅(qū)動、傳感和換能器方面，而該壓電陶瓷的劣勢在于制備工藝難度較大。

2018年，翟繼衛(wèi)課題組[1]利用各向異性、納米結(jié)構(gòu)及相界構(gòu)建，將KNN陶瓷的壓電常數(shù)d33又一次提升到700pC/N。2019年也有研究表明，通過同時改變斜方—正交和正交—四方的相變溫度點（即TR-O和TO-T）至室溫，可使多個相態(tài)共存，大大提高的居里溫度。這也明顯表明了KNN基無鉛壓電陶瓷的高溫性能具有較大的發(fā)展?jié)摿?，也為取代高溫傳統(tǒng)鉛基材料提供強大的支撐。KNN基無鉛壓電材料是通過常規(guī)的固相反應法制備，但是也存在制備高能耗、易生雜相、原料揮發(fā)的問題。

2.2 BT基無鉛壓電陶瓷研究現(xiàn)狀

BT（BaTiO3）的研究開始較早，現(xiàn)有的各個方面較為成熟，作為最早被發(fā)現(xiàn)的一種具有ABO3型鈣鐵礦結(jié)構(gòu)的功能材料。鈦酸鋇是電子工業(yè)中應用最廣泛的材料之一，被譽為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”，具有成本低廉和壓電活性高的優(yōu)勢。但是若以該純陶瓷材料本體制作而成的壓電陶瓷，有居里溫度低、工作溫度區(qū)間窄、易發(fā)生相變等較多缺點。

后人通過加入各類氧化物而摻雜改進，改善了相應的壓電性質(zhì)或工作溫度區(qū)間，但要改善出性能綜合的BT基壓電陶瓷是十分困難的。隨著時代需求的增大，生產(chǎn)業(yè)對壓電器件的要求日益劇增，如何在較高的室溫下降低介質(zhì)損耗和怎樣在保持高壓電、鐵電性能下保留較高的居里溫度成為研究的熱點。陳杰等[2]利用微波輔助草酸鹽沉淀法，以硝酸鋇鈦酸、四丁酯和草酸為原料，在80℃溫度下保溫10min后，經(jīng)1h（700℃）的煅燒制備出了尺寸在30～50nm的鈦酸鋇體。測量結(jié)果表明，介電損耗降低至0.043，改進方法顯著降低了介電損耗。

2.3 BNT基壓電陶瓷研究現(xiàn)狀

鈦酸鉍鈉基壓電陶瓷（Bi0.5Na0.5TiO3）[3]是一種A位復合取代的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體，由前蘇聯(lián)研究學者Smolensky等人發(fā)明。該壓電陶瓷有較高的居里溫度、優(yōu)良的壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)。在現(xiàn)有的無鉛壓電陶瓷中，它在抗彎性、機電耦合系數(shù)、介電性和優(yōu)異聲學性能等方面有明顯優(yōu)勢。因此，在換能、驅(qū)動器等領域中，該壓電陶瓷被廣泛使用。

3 無鉛壓電陶瓷從結(jié)構(gòu)方面進行分類

3.1 鉍層狀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物是Aurivillius在1949年首先發(fā)現(xiàn)的，鉍層狀無鉛壓電陶瓷具有特殊的高溫穩(wěn)定性，成為航天科技中耐高溫的電子信息基礎功能材料。一般情況室溫下，鉍層狀無鉛壓電陶瓷大多是正交結(jié)構(gòu)，但其可以在某種狀態(tài)下進行自發(fā)極化，在超過居里溫度后，經(jīng)緯相將會變?yōu)樗姆较唷?/p>

王海圣等[4]總結(jié)出了將（Bi2O2）2+（AB2O7）2-基，（Bi2O2）2+（A2B3）2-基通過離子摻雜取代形成固溶體，明顯改進了其耐高溫的優(yōu)良性質(zhì)，并有介電常數(shù)低等優(yōu)異電學性質(zhì)，但是出現(xiàn)明顯壓電活性低、矯頑場等缺點。

4 結(jié)語與展望

無鉛壓電陶瓷的無污染化和原材料制作成本普遍較低，將有未來普遍應用的潛力，有利于未來的生產(chǎn)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化、壓電陶瓷的普及、全面取代鉛基壓電陶瓷。

現(xiàn)有問題及相應展望：（1）KNN基壓電陶瓷采用傳統(tǒng)固相反應法，不易提高致密度而且原料也易揮發(fā)，難以大量生產(chǎn)高精配比的KNN基壓電陶瓷，應通過摻雜取代與工藝優(yōu)化這兩方面進行著手，進而優(yōu)化生產(chǎn)制備。（2）BT基電壓電陶瓷性能溫度性與介電性難以兼顧，應通過離子摻雜和取代、引入高居里溫度的電鐵體分別改善其穩(wěn)定性與居里溫度。（3）BNT基也可與BT基等其他壓電材料進行結(jié)合制備，也可將多種優(yōu)良壓電陶瓷材料進行摻雜合制，也許會實現(xiàn)優(yōu)良材料性能互補，開拓新的壓電陶瓷類型。

參考文獻：

[1] LI Peng，ZHAI Jiwei，SHEN Bo，et al. Ultrahigh piezoelectric properties in textured（K，Na）NbO3-based lead-free ceramics[J]. Advanced Materials，2018，30（8）：1705171.

[2]陳杰，車明超.鈦酸鋇陶瓷制備及介電性能研究[J].人工晶體學報，2015（12）：3628-3633.

[3]畢唯東. 弛豫鐵電單晶爐的設計與模擬[D].西安工業(yè)大學，2015.

[4]王海圣，翁新全，許靜玲，柯銀鴻，譚祥虎，韓哲.應用于高溫壓電傳感器的鉍層狀無鉛壓電陶瓷綜述[J].中國陶瓷，2019，55（02）：1-6+17.