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1、第38卷第4期江苏陶瓷Vol.38,No.462005年8月JiangsuCeramicsAugust,2005压电材料的结构及其性能研究靳洪允(中国地质大学材料科学与化学工程学院,武汉430074)摘要介绍了压电材料的演化过程,压电材料的分类、及其结构构成。举例说明了常见的压电材料,对压电材料的结构和性能作了初步的分析,指出了压电材料发展中存在的问题并展望了压电材料的发展方向。关键词压电材料;结构;性能!前言压电材料分类如下:!!石英(SiO2)压电材料是一类重要的、国际竞争极为激烈的##酒石酸钾钠(NaKCH+4HO即KNT)高技术新材料,在信息激
2、光、导航和生物等高技术领##442##磷酸二氢铵(NHHPO即ADP)域应用广泛。压电陶瓷在现代功能陶瓷中占有非常###424重要的地位,具有广泛的用途。自19世纪80年代居#压电单晶体"铌酸锂(LiNbO3)##里兄弟首先在石英晶体上发现压电效应后[1],压电材硫酸锂(LiSO-HO即LSH)##42料和压电器件的研究和生产发展极为迅速,2000年##钽酸锂(LiTaO)压#3##全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上,近几#锗酸锂(LiGeO$3)#年压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增#!!钛酸钡(BaTiO)3长。压电陶瓷是含高智能的
3、新型功能电子材料,随着###电#钛酸铅(PbTiO)##3材料及工艺的不断研究和改良,压电陶瓷的技术应#一元系"#铌酸钾钠(KNaNbO)"#x1-x3用愈来愈广,而且随着电子、信息、航空航天高科学####偏铌酸铅(PbNbO$25)技术领域日新月异的发展,压电陶瓷材料的制作技材###锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O)术和应用开发方兴未艾,将越来越受到人们的关注#x1-x3#压电陶瓷"二元系%和重视。压电材料按物理结构分类如图1。#偏铌酸铅钡(Pb1-xBaxNb2O5)##1955年发现锆钛酸铅(Pb(Zr1-xTix)O3,简称料##!铌镁-锆-钛酸铅
4、##PZT),这类陶瓷都具有较好的压电性能[3];但是广泛#铌钴-锆-钛酸铅###应用的却只有少数几种,如石英,Rochelle盐(KNT),##三元系"铌锌-锆-钛酸铅##CdS,ZnO,AlN,酒石酸乙二胺(EDT),磷酸二氢钾###铌锑-锆-钛酸铅#KDP,磷酸二氢铵(ADP),硫酸锂(Li2SO4·H2O);钙钛#$$铌锰-锆-钛酸铅矿型结构压电晶体:LiNbO3,LiTaO3,KNbO3,KTaO3;##压电高分子聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)钨青铜结构:铌酸钡钠、铌酸锶钡、铌酸钾锂等;层$复合压电材料PVDF+PZT复合图1压电材料分类图!
5、2"状结构的钛酸铋(Bi4Ti3O12)、锗酸铋等;T13BX4(B=荷的变化,这就是压电性的由来。介质具有压电性V、Ni、Ta;X=S,Se)和磷酸铝(AlPO4)等晶体。的条件是其结构不具有对称中心,在32类点群中"压电效应有20类不具有对称中心,属于这20类点群的电介某些介质在机械力作用下发生电极化和电极质才可能成为压电材料。不具有对称中心的晶胞在化的变化,这样的性质称为压电效应[4]应力作用下出现电极化和表面束缚电荷的示意图。电极化的改变导致介质与极化方向垂直的两端面出现等量反如图2。号的束缚电荷变化,看起来这是由于压力造成了电19世纪末20世
6、纪初相继发现水晶和酒石酸钠收稿日期:2005-06-13靳洪允:压电材料的结构及其性能研究学术研究7等材料具有压电性能,并且这些材料相继得到了应用。图2极化示意图在20种压电晶类中,石英、闪锌矿和纤锌矿虽然都没有对称中心,但却包含其他对称元素。这种晶体在某些应力下呈现极化,但在另一些应力下却不极化。以石英为例,沿(100)的应力会产生极化,而沿(001)的应图4铌酸锂(LiNbO3)晶体示意图力就不会引起极化。因此,具有压电性能。意义[6]。50年代初出现了钛锆酸铅系(PZT),其性能!常见压电材料举例远远优于BaTiO3,后来又出现了PLZT透明铁电
7、陶2.1常用压电晶体瓷。压电陶瓷大多是ABO3型化合物(结构如图6)或2.1.1石英(水晶)几种ABO3型化合物的固熔体,应用最广泛的压电石英晶体属32(即D3)点群,六方晶胞的c轴陶瓷是钛酸钡系和锆酸铅系(PZT)陶瓷。钛酸钡陶是沿三重轴的,而a轴和b轴则分别沿着互成120°瓷(BaTiO3)的晶体属于钙钛矿型(CaTiO3)结构,其的二重轴。光线中氧形成氧八面体,钛原子位于氧八面体的中心,沿z轴通过晶体钡则处于8个八面体的间隙。在室温下BaTiO3是属时不产生双折射于四方晶系;当温度升高到120℃以上,四方相转变现象。沿x轴或为立方相,属于顺电相;
8、在0℃附近四方相转变为正y轴施加压力交晶系。时,在x轴产生BaTiO3具有较好的压电性,它是在
