压电材料的发展

压电材料的发展

1、压电陶瓷

  BaTi0₃是早发现的压电陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的压电性设计鱼群探测器，其大的缺点是谐频温度特性差。，但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTi0₃中的Ba，可以改进BaTi0₃陶瓷的温度特性。

  象BaTiO,那样的单元系压电陶瓷，还有PbTiO₃和PbZrO₃等。PbTiO₃陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高（490℃)、各向异性大(c/a=l.064)和介电常数小(ε= 200)等特点。另外，它的谐频温度特性也好，并且频率常数比PZT髙，所以是一种很有前途的高温髙频压电材料。但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiOs压电陶瓷，因为PbTiO₃陶瓷烧结后,冷却到居里点（490℃)时易出现微裂纹，甚至破碎。所以人们往往采用引入添加物的方法对其进行改性。现在用Mn、 W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiOa陶瓷，都具有良好的压电性能，是生产高频压电滤波器的优良材料。

  锆钛酸铅压电陶瓷，简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得多zui广的一种。PZT 的机电耦合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度（〜300℃)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者是通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素来改性，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷，如PZT—4、PZT—5、PZT—6、PZT—7 和 PZT—8 等。PZT陶瓷的出现，是压电陶瓷发展*新的里程碑，大大地提高了压电陶瓷的性能和扩大了其应用范围。除了PZT之外，二元系压电陶瓷还有（Pb，Ba)Nb0₃、（Na,K)Nb0₃和(Na，Cd)Nb0₃等，都是比较适用的压电材料。

2、压电晶体

  压电器件及其应用的发展，取决于压电材料种类的更新和性能的提高。为了开发压电新应用，在石英晶体之后，人们又研制出了罗息尔盐、KDP、ADP、EDT、DKT和LH等多种压电晶体。但是由于它们的性能往往存在某种或某些缺陷，例如罗息尔盐易水解等，所以随着人造石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些晶体现在大多都已基本上不用了。现在石英晶体仍是重要的，也是用量大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除了石英之外，性能好并且使用量也大的压电晶体是铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTa0₃)。它们大量地用作SAW器件,例如SAW滤波器、振荡器、延迟线以及SAW相关器和卷积器等。

  我们的LiNbO₃单晶研究始于1968年，相继开展了结构分析、缺陷分析、原材料的纯化、晶体性能测试以及晶体的电、声、光 方面的应用研究等。

3、压电复合材料

  材料科学的发展象许多领域的发展一样，都有一种曲线规律。一种新效应被发现后，在没有认识到它的重要性之前，发展是相当缓慢的。但是一旦人们认识到它的重要性即进入快速发展阶段。这时便开发出许多实际的应用，从而又相应地发现许多新的材料，接着新材料又会带来更多的新应用。然而经过一个时期便又会进入饱和阶段。目前材料科学的不少领域都处于饱和阶段。在过去几十年中对一些化合物的深入研究表明， 改变掺杂元素的方法，不可能大幅度改进和 提高材料的性能。于是人们进行用不均质的陶瓷材料和精确控制材料的多相性来改进单相材料某些性能的复合材料。

  压电复合材料有多种复合方式。就结构来说有混合状的、层状的、梯形和蜂窝形的。就材料来说，有PZT/聚合物、PZT/PZT(两种PZT的组分不同）、PZT(致密)/PZT(多孔）/ PZT(致密）以及其它压电材料与聚合物的复 合材料等。

  复合材料的优点是在某些方面能突破原有材料的*性能而获得远比此为高的材料。例如用PZT/硅橡胶制成的复合材料，其压电电压系数达300X 10^-3V . m/N，比PZT大15倍，并且具有有机材料的某些优点：柔顺、易制成大面积和复杂形状的器件、声阻抗低、易和液体及人体匹配。又如将两种温度系数相反的材料复合，例如PZT 53/47 和PZT 40/60的温度系数分别为正的和负的，把这两种不同组分的PZT陶瓷制成“2— 2”连通模式的夹层结构复合材料，其温度系数几乎接近于零。

  另外，利用复合技术不仅能提高材料的压电性能、热电性能，还能提高材料的耐压性以及抗去极化性。

4、 压电高聚合物

  以PVDF为代表的压电高聚合物薄膜,压电性强、柔性好，特别是其声阻抗与空气、水和生物组织很接近。因此PVDF在许多技术领域都有适用性，特别是用它制作用于液体、生物体及气体的换能器，可获得比用其它压电材料制作的换能器好的阻抗匹配。用 PVDF材料可制成各种换能器，如微音器、耳机和扬声器等声换能器；用于固体、液体和气体的超声换能器；医用换能器和开关器件等。 PVDF有机压电薄膜还具有相当优良的热电性，使其在这一领域也能发挥作用。

  此外，氧化锌、氮化铝和五氧化二钽等薄膜型压电陶瓷材料，已成为当今微波器件的关键材料。