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        無(wú)鉛壓電陶瓷材料研究進(jìn)展

        2017-10-13 08:57:23曲莉莉
        化工管理 2017年27期
        關(guān)鍵詞:改性結(jié)構(gòu)

        曲莉莉

        (1.蘭州大成科技股份有限公司,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州大成真空科技有限公司,甘肅 蘭州 730000)

        無(wú)鉛壓電陶瓷材料研究進(jìn)展

        曲莉莉1,2

        (1.蘭州大成科技股份有限公司,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州大成真空科技有限公司,甘肅 蘭州 730000)

        壓電陶瓷是一種將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能無(wú)機(jī)非金屬材料。本文主要對(duì)無(wú)鉛壓電陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要的介紹,并闡述了三種無(wú)鉛壓電陶瓷的改性研究,分別為摻雜改性、固溶改性、織構(gòu)化。無(wú)鉛壓電陶瓷的性能,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究與改善,將來(lái)有望逐漸替代壓電陶瓷。

        摻雜;固溶改性;織構(gòu)化

        1 無(wú)鉛壓電陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀

        按晶體結(jié)構(gòu),無(wú)鉛壓電陶瓷分為鉍層狀結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)三個(gè)研究系列。

        1.1 鉍層結(jié)構(gòu)

        鉍層結(jié)構(gòu)由二維的(Bi2O2)2+層與[BO6]八面體交替排列而成,A位是適合于12配位的+1、+2、+3、+4價(jià)離子或由其組成的復(fù)合離子,B位是八面體配位離子或由其組成的復(fù)合離子,它們的化學(xué)通式用(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-表示,其中m取整數(shù),與鈣鈦礦層(Am-1BmO3m+1)2-內(nèi)的八面體層數(shù)相對(duì)應(yīng),取值范圍在1-5之間。

        1.2 鎢青銅結(jié)構(gòu)

        鎢青銅化合物是由共頂點(diǎn)的[BO6]式氧八面體堆垛而成,結(jié)構(gòu)通式為(A1)2(A2)4(C)4(B1)2(B2)8O30。通常,鎢青銅化合物的自發(fā)極化較大、居里溫度較高、介電常數(shù)較低,其成分與構(gòu)造對(duì)它的鐵電性能有重要影響。

        1.3 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

        鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷相具有相對(duì)較高的壓電常數(shù)。這是由于ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中B離子易于偏離八面體的體心位置,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上是有利于顯示鐵電性的晶體結(jié)構(gòu)。

        對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行摻雜有效的改善了壓電性能

        2 無(wú)鉛壓電陶瓷的改性研究

        人們通過(guò)摻雜改性、固溶改性、織構(gòu)化來(lái)提高無(wú)鉛壓電陶瓷的性能,期望得到性能與鉛基壓電陶瓷相比擬環(huán)境友好型無(wú)鉛壓電陶瓷,下面對(duì)這幾種主要的方面做以簡(jiǎn)單的介紹。

        2.1 摻雜改性

        在無(wú)鉛壓電陶瓷中摻入少量的金屬或稀土元素,以改善電學(xué)性能。以鋯鈦酸鋇體系為例,為了提高BZT體系陶瓷的介電非線性和溫度穩(wěn)定性,降低介電損耗,研究人員進(jìn)行了BZT陶瓷的摻雜改性研究。根據(jù)摻雜位置劃分為分兩大類(lèi):A位摻雜和B位摻雜。稀土元素(如La、Sm、Eu、Dy、Y、Ce)和Ca、Zn、Pb、Bi等元素進(jìn)行A位摻雜;Nb、Mg、Mn等元素進(jìn)行B位摻雜元素。S.K.Rout等研究了 Ba1?xMgxTi0.6Zr0.4O3(x=0.0,0.07,0.14)體系,表明室溫下體系結(jié)構(gòu)為立方對(duì)稱,Mg的加入降低了晶粒尺寸,并使其弛豫性明顯增加。

        2.2 固溶改性

        借鑒鉛基壓電陶瓷的改性研究思路,多采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法等制備出系列無(wú)鉛壓電陶瓷,得到性能優(yōu)化的壓電和鐵電性能。BCZT材料的優(yōu)異性能迅速引起各國(guó)學(xué)者的興趣Venkata Sreenivas等使用溶膠凝膠法制備得到不同含量的(Ba0.7Ca0.3)TiO3與Ba(Zr0.2Ti0.8)O3的固溶體[Ba(Zr0.2Ti0.8)O3]1-x[(Ba0.7Ca0.3)TiO3]x(x=0.10,0.15,0.20)。制得陶瓷呈單相四方結(jié)構(gòu),其密度隨Ca含量的增多而增大,電滯回線中Pr和Ec都很小,導(dǎo)致電滯回線非?!笆荨薄=闇刈V線表現(xiàn)出明顯的彌散相變,居里溫度隨Ca的增多略有減小。

        2.3 織構(gòu)化

        織構(gòu)陶瓷的性能要比傳統(tǒng)多晶陶瓷好得多,甚至可以與單晶相比擬,而在制備過(guò)程中,織構(gòu)陶瓷比單晶具有一系列優(yōu)勢(shì),如制備時(shí)間短、成本低等。因此無(wú)鉛壓電陶瓷的織構(gòu)化是提高性能的一個(gè)重要的方法。

        3 結(jié)語(yǔ)

        壓電陶瓷應(yīng)用廣泛,是多種電子元器件產(chǎn)品原材料,具有較高的研究?jī)r(jià)值。而順應(yīng)國(guó)際社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的無(wú)鉛壓電陶瓷更是成為人們研究的焦點(diǎn),有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。目前研究的無(wú)鉛壓電陶瓷主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、含鉍層狀結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)三個(gè)系列。這幾類(lèi)陶瓷的壓電特性目前普遍不及鉛基壓電陶瓷,但是人們通過(guò)摻雜改性、固溶改性、織構(gòu)化等措施初步提高了無(wú)鉛壓電陶瓷的性能,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究與改善,將來(lái)有望逐漸替代壓電陶瓷。

        [1]曲遠(yuǎn)方.現(xiàn)代陶瓷材料及技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2008,80-87.

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