无铅压电陶瓷的研究和应用.pdfVIP

2008年中国电子学会第十五届电子元件学术年会 无铅压电陶瓷的研究与应用奉 庄志强1黄浩源1莫卿具2 1．华南理工大学材料科学与工程学院， 广东广州(510640) ’2．广州杰赛科技股份有限公司，广东广州(510310) 摘要：基于对人类环境的保护和发展环境友好材料与电子产品的要求，近年来国际和国内兴 起了无铅压电陶瓷的研究与开发热潮。本文系统介绍了目前无铅压电陶瓷研究与发展概况及存在的 主要问题。重点介绍和讨论了我们课题组近年来在Ta，Li固溶改性铌酸钾钠无铅压电陶瓷(LNKNT) 的制备和性质的研究方面的主要成果及在蜂鸣器制造上的应用情况。在我们的研究中，重点介绍了 铌钽酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备和表征、Li固溶对(Na，K)Nb0，陶瓷性能的影响、Ta的固溶对 (Li．Na，K)Nb0，陶瓷的性能的影响以及用无铅压电陶瓷LNKNT制造的陶瓷蜂鸣器的声学特性。 关键词：Li；Ta铌酸钾钠；无铅；压电陶瓷；介电特性；压电特性 继2001年之后，2003年欧盟议会及欧盟委员会发布了“关于禁止在电器和电子设备中使 等6种有害物质，包括在生产过程中以及原材料中可能含有上述6种有害物质的电气电子产品。 美国一些州也相继制订了自己的RoHS法规Ⅲ。我国信息产业部也相继于2006年2月颁布了《电 子信息产品污染防治管理办法》，拟于2007年3月1日起开始计划实施。为了保护地球和人类 的生存空间，防止环境的污染，保证可持续发展战略的实施，十多年来，国际和国内在无铅电 子产品和材料的研究和开发方面已经做了大量的工作。目前在国际和国内的电子产品制造中应 用量大面广的焊料和陶瓷电容器(包括瓷料和电极浆料)已经基本实现了无铅化，其它无铅铁 电、压电等材料也一直在努力探索中。 压电与铁电陶瓷作为一种重要的电、力、热、光敏感功能材料，已经在传感器、超声换能 器、微位移器和其他电子元器件等方面有着广泛的应用[2-8]o目前，使用的压电陶瓷主要为以 Pb(Zh 掺杂改性和工艺控制在很大的范围内调节材料的电学和物理特性，以满足各种应用需求。然而， 目前获得工业应用的压电、铁电陶瓷，包括弛豫铁电陶瓷，主要是含铅陶瓷，其中氧化铅的含 量约占材料总质量的60％以上。可见，含铅压电陶瓷材料，在材料加工过程、储运、元件制造、 使用及其废弃物处理过程中，都易对环境和人类造成严重危害。因此，研究和开发压电、铁电 陶瓷等无铅电子陶瓷材料是近年来研究与开发的重要方向和热点课题。 1．无铅压电陶瓷的研究现状与水平 目前研究的无铅压电陶瓷主要包括：铋层状结构无铅压电陶、钛酸钡(BT)基无铅压电 陶瓷、钛酸铋钠(Bio．5Nao．5)Ti03(BNT)基无铅压电陶瓷和铌酸盐系无铅压电陶瓷。 ．59． 2008年中国电子学会第十五届电子元件学术年会 1．1铋层状结构无铅压电陶瓷 空间规则交替排列而成。铋层状结构无铅压电陶瓷的主要特点是一1：介电常数(K)低，居里 温度(T。)高，存在明显的压电各向异性，老化率低。但是，由于其需要极化电场强度比较高 149i 适宜在静水压环境下使用。 1．2BT基压电陶瓷 BT基无铅压电陶瓷是指以BT为基通过固溶第二组元或者通过掺杂改性来提高其压电性 压电材料的研究和发展。但是由于BT的居里温度比较低，难以通过掺杂改性提高材料的压电 性能，稳定性不如PZT，同时必须在比较高的温度下烧结，直接取代铅基压电陶瓷比较困难。 早期一般在水听器领域获得应用¨例。 1．3BNT基无铅压电陶瓷 Il 320℃。高密度BNT有较高的剩余极化强度(Pr=38C／cm2)，较高的纵向机电耦合系数(k3。在 40％左右)，介电常数比较小和声学匹配特性较佳等特点。但是，除了Na在加工过程中容易吸 潮难以保证组成化学计量和烧结温度范围比较窄之外，由于娇顽场强高达73kV／cm使陶瓷难于 极化，因此纯BNT难以获得应用。近年来人们通过掺杂改性的方法解决了上述问题，制备出若 的研究处于领先地位。前些年我国的大部分研究力量主要集中在这个研究领域，但是性能上并 未取得明显突破