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高稳定性压电陶瓷材料的研制

〔昆明理工大学材料科学与工程学院云南昆明〕

摘要:本文阐述了压电陶瓷的性质，制备，应用以及高稳定性压电陶瓷材料的性能参数、各种特性和生产工艺。并重点讲述了研制高稳定性压电材料的最新进展，包括传统烧结工艺的研究进展，晶粒定向生长技术以及无铅压电陶瓷的掺杂改性技术。

关键词：高稳定压电陶瓷烧结工艺无铅

TheDevelopmentofTheHighStabilityPiezoelectricCeramics

(KunmingUniversityofScienceandTechnology,MaterialsScienceandEngineering,Kunming,Yunnan)

Abstract:Thispaperdescribesthenature,thepreparationandtheapplicationofthepiezoelectricceramic.Performanceparameters,avarietyoffeaturesandtheproductionprocessofthehighstabilityofpiezoelectricceramicmaterial.Andfocusonthelatestprogressinthedevelopmentofthehighstabilityofpiezoelectricmaterials,includingtheprogressofthetraditionalsinteringtechnology,grainorientedgrowthtechnologyandlead-freepiezoelectricceramicsmodifiedtechnology.

Keywords:highstability,piezoelectricceramic,sinteringprocess,lead-free

0引言：压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体，是信息功能陶瓷的重要组成局部。其具有机电耦合系数大、价格廉价、易于批量生产等优点，已被广泛应用于社会生产的各个领域。

压电陶瓷的发现与开展已有五六十年，其品种繁多、应用广泛。随着科学技术的飞速开展，对压电陶瓷的性能也有了更高的要求，因此，对压电陶瓷稳定性这项根本指标也有了更高要求，稳定性主要是指：〔1〕、各种特性的温度系数要小，居里点要高。

〔2〕、经长时间使用后性能仍良好(稳定性要好)。

目前，正在广泛使用的压电陶瓷大多是含铅陶瓷，例如PZT。这些铅基陶瓷虽然具有优良的压电及介电性能，特别是在准同型相界附近。但是此类材料氧化铅的含量几乎均在60%以上，氧化铅在高温烧结时不仅伴随严重的挥发，对环境造成污染，还会对陶瓷生产工艺的控制及稳定性造成不利影响。但由于由于PZT压电陶瓷的压电性能、温度稳定性、居里温度等都大大优越于其它陶瓷，更重要的是PZT可以通过改变组分或变换外界条件使其电物理性能在很大范围内进行调节，如三元系，四元系等，以适应不同需要。所以可通过控制其生产工艺过程来改善其弊端。

1压电材料的性质介绍

压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质外表带电，这是正压电效应。反之，施加鼓励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。

压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。一般极化电场为3～5kV/mm，温度100～150°C，时间5～20min。这三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系〔PZT〕陶瓷，其机电偶合系数可高达0.313～0.694。机电耦合系数k是是一个综合反映压电陶瓷的机械性能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的重要参数。反映了机械能和电能之间的转换效率，由于转换不可能完全，总有一局部能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而k总是小于1的。

与压电单晶材料相比，压电陶瓷材料具有机电耦合系数高、价格廉价和易于批量生产等优点，故被广泛应用于制作超声换能器、压电变压器、滤波器和压电蜂鸣器等。

2压电材料的生产工艺流程

压电陶瓷的主要工艺流程：配料--球磨--过滤与枯燥--预热--二次球磨--过滤、枯燥--过筛--成型--排塑--烧结--精修--上电极--烧银--极化--测试。

2.1配料：

根据配方进行必要的计算，根据计算结果即可进行称料，为保证化学反响的顺利进行，原