高性能、高居里温度压电陶瓷的研究进展.pdfVIP

四JlI省电子学会传感器技术专委会第十届学术年会会议论文 新工艺与新材料 高性能、高居里温度压电陶瓷研究进展 赵毅姜昱志江一杭覃宝全朱建国 (四川大学材料科学与工程学院) 【摘要】随着现代科学技术的发展，航空航天及地质勘探业迫切需要能够在更高的温度下工作的新型压电陶瓷 材料及其器件。本文综述了近年来高性能、高居里温度压电陶瓷材料的研究进展。认为高性能、高居里温度压电 可望发现新的高性能、高居里温度的压电陶瓷体系并可望用于高温压电器件。 【关键词】压电陶瓷MPB居里温度高温压电器件 l 引言 随着当今工业与科技的发展，原子能、能源、航空航天、冶金、石油化工等许多工业和科研部 门对包括压电器件在内的高温电子设备的开发提出了日益迫切的要求Ill。如地热利用和油井开采需 要传感器和电子系统有更高的使用温度。航空航天工业要求器件可以运行于更严酷的高温环境，需 使用的传感器和致动器日益增多，欲进一步提高内燃机的效率，需要内燃机在更高温度下运行，然 而高的运行温度却对传感器提出了额外的要求12,31。150。C的环境，并且有温度循环是目前机动车的 标准，可以预计将来机动车的内燃机的运行温度会更高。 对于压电材料来说，要满足高温电子设备的使用要求，除机电性能必须满足所应用器件的要求 之外，Tc(居里温度)还必须在器件所应用的温度之上，即高温压电材料必须具有高的Tc。使用温 度升高的另一个结果是使得压电材料的机电参数发生改变，越接近Tc，变化越显著。所以一般来说， 压电材料的最高使用温度应控制在其Tc的一半以下，其使用才会被认为是安全的。除此以外，由于 高温电子设备工作的温度范围较宽，所以压电材料的压电参数还必须在较宽温度内保持稳定，因为 ‘ 只有这样才能保证压电材料制备的器件的性能在较高的温度区间能够正常稳定工作。 2传统高居里温度压电陶瓷 相对较低的Tc极大的妨碍了它在高温环境下的正常使用。尽管人们研究了保持MPB特性的各种掺 杂改性PZT，包括以PZT为基的三元、四元系压电陶瓷，但没有一种掺杂改性PZT陶瓷的Tc可以 电器件要想满足更高温度环境下的使用要求，必须采用其它具有更高Tc的压电材料。以往人们研究 较多的高Tc的压电材料主要包括：钙钛矿结构体系、碱金属铌酸盐体系、钨青铜结构体系以及铋层 状结构体系四类。 2．1钙钛矿结构体系 钙钛矿结构体系是最常见，应用最为广泛的一类压电陶瓷。以往人们研究较多的钙钛矿结构高 异性大、三次谐波的温度系数是现有陶瓷材料中最小的，是一种很有前途的高温压电材料。但是， 纯钛酸铅陶瓷存在烧结上的困难，在烧结完成后的冷却过程中，容易出现裂纹，甚至粉碎。且其存 96 四川省电子学会传感器技术专委会第十届学术年会会议论文 新工艺与新材料 在矫顽场Ec大，难以极化、分散性大和重复性差等问题。 通过添加适量的改性添加剂，可克服以上工艺难点而得到性能相对较优的PbTi03压电陶瓷材料。 70pC／N，这限制了其使用范围，仅使用于高温超声换能器15l。 2．2碱金属铌酸盐体系 化学式为ANb03的碱金属铌酸盐是一类重要的铁电材料，其中最具代表性同时应用也最为广泛 晶研究和应用多，LiNb03陶瓷的研究报道少。究其原因，是因为LiNb03陶瓷制备有相当困难pl。 求，严重限制了它在压电领域的应用。为此，人们通过用其它碱金属离子来取代锂离子，研究了一 系列多元碱金属铌酸盐体系化合物。不过这些化合物大多为钙钛矿结构，而且Tc比纯LiNb03要低 很多。多元碱金属铌酸盐体系陶瓷的研究在2004年取得重大的突破，Saito等报道的 Guo等报道了一个新的三元体系(1．划(Nao5l(0．5) 29．9×10～Vm／N，1570，材料性能优于PZT4191， 两相共存区，表现出准同型相界特性。在两相共存区，d33最大可以达到235pC／N，机电耦合系数kp 最高为0．48，显示出非常强的压电活性，不过Tc却下降至470℃左右。 2．3钨青铜结构体系 钨青铜结构铁电体是仅次于钙钛矿结构铁电体