反铁电陶瓷电场诱导相变与相稳定性的研究.aspx

PL ZST 反铁电陶瓷电场诱导

相变与相稳定性的研究

刘　鹏　杨同青　王志宏

徐　卓　张良莹　姚　熹

(西安交通大学电子材料与器电研究所,西安　710049)

(1998年2月23日收到;1998年3月20日收到修改稿)

在三方铁电(FE )2四方反铁(AFE )的准同型相界附近制备了一系列组份为(Pb 0197La 0102)

(Zr 1-x -y Sn y Ti x )O 3(x =0109或011;0116≤y ≤0138)的反铁电陶瓷.研究了Sn 含量y 对电场诱导AFE →FE 相变电场E c 、反铁电双电滞回线损耗ΔE 、以及温度诱导FE →AFE 相变温度T FE ,AFE →顺电(PE )相变温度T c 的影响.沿AFE 2FE 相界Ti 含量一定的条件下,E c 随

着Sn 含量y 的增加而增大,

ΔE 减小,T FE 与T c 均降低.场诱相变的回线参量E c ,ΔE 与相变温度T FE 和T c 相关联.在直流偏压下用原位X 2射线衍射表征了相变时晶格结构的变化,结果表明,当电场达到AFE →FE 相变临界场时,伴随相变的发生,晶格结构由四方相转变为三方相,晶胞体积增大.

PACC :7780;6470

1　引言

在012mol %La 改性的Pb (Zr ,Sn ,Ti )O 3(PL ZST )相图中,组份位于反铁电(AFE )2铁电(FE )相界附近的反铁电陶瓷在外电场E c 的诱导下能够实现AFE →FE 相变,伴随四方

AFE →三方FE 相变的产生,极化强度P 和纵向位移χ发生突变,P 从零达到30

μC/cm 2,而χ最大可以达到015%—018%[1],这类相变机敏陶瓷已被用作具有开关特征的大位移多层驱动器件,近年来已受到人们的广泛关注[2].为了在一定的激发场下诱导出大位移量,设法降低相变场E c 是一个有效的方法[3].另外,为了减小在交变电场下的热滞损耗,还应该尽量减少反铁电双电滞回线的回滞宽度ΔE ,这样才能实现较小的激发场下诱发相变,同时使器件工作稳定的目的.本文在(Pb 0197La 0102)(Zr 1-x -y Sn y Ti x )O 3相图中,沿

AFE 2FE 相界制备了一系列反铁电陶瓷,研究了反铁电双电滞回线特征参数E c ,

ΔE 与组份、铁电2反铁电相变温度T FE 以及反铁电2顺电相变温度T c 之间的关系,发现E c ,

ΔE 与AFE 、FE 相的热稳定性相关联,这为裁剪宏观电学性质提供了实验依据.最后,用原位X 射线衍射测量了电场诱导相变时晶格结构的变化,并讨化了晶格相变引起宏观体积的

第47卷第10期1998年10月

100023290/98/47(10)/1727207物　理　学　报ACTA PHYSICA SIN ICA Vol.47,No.10,October ,1998ν1998Chin.Phys.S oc.

变化.

2　实验

样品用传统陶瓷工艺制备,配比为(Pb 0197La 0102)(Zr 1-x -y Sn y Ti x )O 3(x =0109或

011;0116≤y ≤0138),标记为PL ZST 2/10x/10y ,如组份为x =0109,y =0125的试样标记为PL ZST 2/9/25.各研究点在相图1中AFE 2FE 准同型相界附近[4].相应元素的氧化物按比例配制、加酒精湿磨混匀后烘干;900℃预烧2h 后再球磨,最后压制成<12mm 的圆片状试样.用双坩埚法在Pb 气氛中1200℃—1280℃,2h 烧结成瓷.烧成样的密度可以达到理论密度的98%,厚017mm 的试样施加Ag 电极后作电性能测试.厚012mm 试样双面镀金作原位X 射线测试,衍射在转靶Rigaku 上进行,扫描范围2θ=20—100°,扫描速度015°/min ,自制的样品架可作变温与变场同步测试.电滞回线和电致伸缩分别采用Sawyer 2Tower 线路和电感测微仪同步测量,测微仪精度为0101μm ,测量用0137Hz 的正弦交流信号

,高场由Trek Model 609A 产生.所有信号均由计算机采集.

图1　Pb 0197La 0102(Zr ,Sn ,Ti )O 3在25℃下的相图[4]

介电常数和介电损耗由HP4172测量,频率为1kHz ,升温速率3℃/min ,温度范围从-100℃到180℃.铁电、反铁电.顺电相之间的相变温度由介电温谱的测试结果得到.所有测量数据均由计算机采集.

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3　结果与讨论

311　铁电相2反铁电相2顺电相之间转变温度T FE 和T c

图2为PL ZST2/9/16,2/9/23,2/9/25三个样品的损耗角正切tg δ随稳度的变化关系,样品在低温下均为铁电相,随温度升高逐渐转变为反铁电相和顺电相.温度诱导FE 2AFE 相变时介电常数没有明显的变化,tg δ随温度的升高而逐渐从10-2

量级下降到

图2　1kHz 下不同组份PL ZST 样品的损耗角正切tg δ随温度的变化关系

10-3,没有峰值出现.这表明,相变是在一个很宽的温度范围内逐渐完成,这一扩散相变特征与AFE 、FE 两相在此温度范围内共存相关联[5

].FE 2AFE 相变温度T FE 取tg

δ值下降约一半时对应的温度,分别为25℃,-15℃和-34℃.在实验中,这一相变温度亦可以更准确的用极化样品FE →AFE 相变时释放的热释电流峰来确定,两种方法所得到的相变温度基本一致.与FE 2AFE 相变不同,AFE 2PE 相变伴随一明显的损耗峰,相变温度T c 由图2插图中tg δ峰值所对应的温度来确定,分别为177℃,163℃和159℃.上述两个相变温度与Sn 含量的关系见图3,对Ti 含量x =0109和011两个系列,T EE ,T c 均随Sn 含量的增加而降低.当Sn 含量y 由0116增大到0138时,T FE 从25℃减小到-55℃,T c 从177℃减小到129℃.这表明Sn 含量增大时AFE 相在室温下更趋稳定.

9

27110期刘　鹏等:PL ZST 反铁电陶瓷电场诱导相变与相稳定性的研究

　图3　不同组份Pb 0197La 0102(Zr 1-x -y Sn y

Ti x )O 3在Ti

含量x =0109或011下铁电2反铁电相变温度T FE 和反

铁电2顺电相变温度T c 与Sn 含量的关系图4　不同组份PL ZST 试样在30℃下的双电滞回线

312　AFE,FE 相稳定性与双电滞回线参数

E c ,ΔE 的关系

图4给出了六个不同组份的试样在

30℃时的反铁电双电滞回线.可见,不同样

品的回线形状虽然相似,但是AFE →FE 转

变临界场E c ,回滞宽度ΔE ,以及极化强度

P 均有明显差异.E c 和ΔE 的物理意义见

图4,其中E c 为电场增大时AFE →FE 转变

临界场,而E b 为电场减小时FE →AFE 转

变的反向临界场.对Ti 含量x =0109和

011两个系列,E c 随Sn 的增加而增大,ΔE

随Sn 含量的增大而减小,极化强度也减小.图5分别给出了E c ,ΔE 与相变温度T FE 和T c 的关系.图5(a )中E c 随T FE 的增

大而减小.这表明,室温下AFE 相的稳定性

(即T FE 值)决定了电场诱导AFE →FE 转变临界场的大小.T FE 越低,室温下AFE 相越稳

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定,E c 越大;相反,当T FE 接近室温时,E c 减小.E c0=312kV/mm 是这一系统的最小临界场,当T FE 再提高时,亚稳反铁电态出现[6],反铁电双电滞回线失去可逆性,P 2E 回线第一周期显示反铁电特征,而第二周为铁电回线特征.

图5(b )为ΔE 与T c 的变化关系,随着T c 从177℃降低到129℃时,ΔE 线性地从3kV/mm 减小到113kV/mm.ΔE 随T c 的减小而减小反映了热激活促进了诱导铁电态向稳定的反铁电态的转变,T c 越接近室温,电场诱导的铁电相越不稳定,图4中的E b 越接近E c .

E c 与T FE 相关联,根据热力学分析[6],E c -(ΔH/P

F T FE )(T 2T FE ),其中ΔH 为温度T 下电场诱导AFE →FE 相变时的焓变,P F 为诱导铁电态的极化强度,因此E c 随(T 2T FE )的减小而下降,与图5(a )中E c 随T FE 的变化趋势一致.可见,电场诱导AFE →FE 相变的临界场E c ,回滞损耗ΔE 分别与两个相变温度T FE 与T c 相关联.通过对(Pb 0197La 0102)(Zr 1-x -y Sn y Ti z )O 3在B 位进行组份调节,可以获得具有不同双电滞特征的反铁电陶瓷,但是不能同时实现降低E c 和ΔE 的目的.为实现这一目的,在A 位用部分Ba 置换Pb ,通过调控T FE 和T c 可使回线形状得到进一步优化[7].另外,这里仅考虑了AFE/FE 两相稳定性这一内禀因素对场诱相变特征的影响,实际上这一过程还受电畴结构,

缺陷等非内禀因素的影响,有待于进一步研究.

图5　PL ZST 反铁电陶瓷的双电滞回线参数E c 与T FE (图5(a )),ΔE 与T c (图5(b ))的关系

313　电场诱导AFE →FE 结构相变的原位X 射线研究

为了研究电场下AFE →FE 结构相变,及其对宏观位移的影响.图6给出了试样PL ZST 2/10/25在室温下,偏置电场分别为0和413kV/mm 下的原位X 射线衍射谱,衍射角2θ从35°到85°.在未加外电场的情况下,样品为四方相结构.依据图中各衍射峰,用最小二乘法可求得四方相的晶格参数a t =014145nm ,c t =014109nm.当外电场达到E =413kV/mm 时,(002),(103),(202),(103)等面的衍射峰消失,而反映三方相结构特征的(111),(222)衍射峰分裂出(-111)和(-222)峰,其他三方相衍射峰强度增强,衍射2θ

角发生移动,样品转变为三方相结构,晶格参数a R =014137nm ,α=89182°

(各轴夹角很137110期刘　鹏等:PL ZST 反铁电陶瓷电场诱导相变与相稳定性的研究

接近90°,所以也称伪立方相).图7给出了这一结构相变的示意图,由于图6(a )的衍射谱中没有明显的超晶格衍射峰出现,所以仅考虑初基晶胞.其中P a 和P b 是四方反铁电相中的两个反向自发极化矢量(实际应是两个子晶格内的自发极化),P s 是三方铁电相沿〈111〉方向的自发极化强度.由于相变前、后两个相的轴比a R /c t >1,相变引起四方相c 轴伸长,而a 轴由于a R /a t <1而收缩.在宏观上晶格结构的变化将引起纵向(c 轴方向)伸长.因为c 轴的增加大于a 轴的减小,相变后晶胞体积将增大ΔV /V =013%,c 轴增大(a R -c t )/c t =0168%,这一值应是结构相变引起宏观体积和纵向应变的最大值,与测量结果一致[3,8]

.

图6　偏置电场下四方相到三方相转变的原位X 射线衍射谱　(a )E =0;(b )E =413kV/

mm

图7　电场诱导四方反铁电相(a )到三方铁电相(b )转变的示意图

4　结论

在三方铁电(FE )2四方反铁(AFE )的准同型相界附近制备了一系列组份为(Pb 0197La 0102)(Zr 1-x -y Sn y Ti x )O 3(x =0109或011;0116≤y ≤0138)反铁电陶瓷.研究了反铁电双电滞回线的相变场强E c 、回滞损耗ΔE 与Sn 含量y 的关系.发现当y 值从

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0116增大到0138时,宏观电学性质发生规律性变化:(1)电场诱导AFE →FE 相变临界场E c 从312kV/mm 增大到8kV/mm ,而ΔE 从3kV/mm 减小到113kV/mm ;(2)温度诱导FE →AFE 相变温度T FE 从25℃降低到-55℃,AFE →顺电相的相变温度T c 从177℃减小到129℃;(3)E c 值与室温下AFE 相的稳定性(T FE 的大小)相关联,而ΔE 与热激活能的强弱(T c 的大小)相关联.(4)当电场达到AFE →FE 相变临界场时,晶格结构由四方相转变为三方相,伴随相变的发生晶胞体积增大.

[1]　W.Y.Pan et al.,J.A ppl.Phys.,66(1989),6014.

[2]　R.E.Newnham ,G.R.Rusehan ,The A m.Cerm.Soc.B ul ,75(1996),51

[3]　Liu Peng ,Y ang Tongqing ,Xuo Zhuo ,Zhang Liangying ,Y ao Xi ,Chinese Science Bulletin (to be published )(in

Chinese )

[4]　D.Berlincout ,IEE ,Transaction on Sonics and Ultrasonics ,Sup 213(1966),116

[5]　V.M.Ishchuk.V.L.Sonolev ,N.A.Spiridonov ,A.A.Babichenko ,Ferroelectrics ,157(1994)215.

[6]　P.Y ang ,D.A.Payne ,J.A ppl.Phys ,71(1992)1361

[7]　S.E.Park ,K.Markorwski ,S.Y oshikawa ,L.E.Cross ,J.A m.Ceram.Soc.,80(1997)407.

[8]　K.Markorwski ,S.E.Park ,S.Y oshikawa ,L.E.Cross ,J.A m.Ceram.Soc.,79(1996)3297

INVESTIGATION OF E L ECTRIC FIE LD 2IN D UCED

ANTIFERROE L ECTRIC TO FERROE L ECTRIC PHASE

TRANSITION AN D PHASE STABIL ITY OF PL ZST CERAMICS L IU P EN G Y AN G T ON G 2QIN G W AN G Z HI 2HON G X U Z HUO Z HAN G L IAN G 2YIN G Y AO X I

(Elect ric M aterials and Dev uce Research L aboratary ,Xi ’an Jiaotong U niversity ,Xi ’an 710049)

(Received 23February 1998;revised manuscript received 20March 1998)

A BSTRACT

We have prepared antiferroelectric ceramics with com positions of (Pb 0197La 0102)(Zr 1-x -y Sn y Ti x )O 3(x =0109or 011;0116≤y ≤0138)near antiferroelectric (AFE )tetragonal 2ferroelectric (FE )rhombohedral morphotropic phase boundary.The effects of Sn content on electric field 2induced AFE →FE switching field E c ,double 2hysteresis 2loop width ΔE ,and temperature 2induced FE →AFE phase transition temperature T FE ,AFE →paraelectric (PE )transition temperature T c are investigat 2ed.At constant Ti content x ,both T EF and T c decrease with increase of Sn content y .Electric hysteresis loop measurement demonstrates an increase of E c and decrease of ΔE when Sn content y increases.Furthermore ,we also find that E c and ΔE are related with T FE and T c .In sit u X 2ray diffraction under dc bias field shows that symmetry changes from tetragonal phase to rhombohedral phase with an increase of c axis ,and an increase of lattice volume.

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压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之七

铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之七 铁电陶瓷材料，是指具有铁电效应的一类功能性陶瓷材料，它是热释电材料的一个分支。 可用于大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可制作红外探测器等。也用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。 广泛应用于航天、军工、新能源产品。 这里介绍，主要是参考它的加工工艺，比如为固体电解质的加工提供一定的参考。另一方面是顺便了解一下这特种陶瓷的用途。 室温研磨法固相反应制备铁电陶瓷粉末： ――机械合金化制备的铁电体：锆钛酸铅 锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1－X)O，或PZT)是PT和锆酸铅(PbZrO3或PZ)的 固溶体，具有杰出的铁电、压电、热电和光电性能，广泛应用于传感器、声纳、微动台、旋转式激励器和热电传感器中。 有专家研究了用具有碳化钨筒和球的行星高能球磨机对(PbO、ZrO2和TiO2)混合物球磨不同时间后PZT相的形成情况。球磨4h没有形成PZT，但PbO衍射峰大大变宽并弱化，球磨15和24h后，PZT成为主要相。球磨过程中，相变会导致不同程度的体积膨胀。研究表明，延长球磨时间，体积膨胀程度减小，意味着未反应的氧化物数量减少。球磨24 h的混合物反应完全，故几乎没有观察到体积膨胀。 有专家通过行星球磨机对PbO、ZrO2、TiO2氧化物强化粉碎(高的 球磨速度和大的球料比)5—480min后发现，球磨lh便得到PZT相及少量未反应的ZrO2，球磨2h时后相组成相同，未反应的ZrO2量达到最少。对球磨粉末做比表面积测试后发现，球磨30min后其比表面积达到最大，并促进了初始氧化物间的反应，以致球磨1h后几乎得到纯PZT相，

铁电陶瓷

第四章铁电陶瓷 一、教学内容及要求 掌握铁电体的基本概念，理解电滞回线的形成，理解BaTiO3的结构与自发极化特性以及其介电性能的特点，掌握电畴的基本概念，电畴的成核与生长过程，180°畴和90°畴的异同。理解居里温区的相变扩张的机理，几种相变扩散的异同。掌握展宽效应，移动效应，重叠效应的作用机制。掌握铁电老化，铁电疲劳，去老化的概念。 二、基本内容概述 4.1概述 重点掌握的几个概念：自发极化、、剩余极化、、矫顽场、铁电体、电滞回线、电畴、铁电陶瓷 1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。线性关系，E=0，P=0。 2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。非线性关系，E=0，P≠0。 3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。 4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。 5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。 6、畴壁（domain wall）：畴的间界。 7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。 8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。 9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。

铁电陶瓷的制备及其研究

铁电陶瓷的制备及其研究 姓名：刘飞班级：无机普08-01 学号：2008440551 摘要：铁电陶瓷主晶相为铁电体的陶瓷材料。 关键词：钛酸钡；铁电粉体；溶胶-凝胶法；研究进展 0前言 铁电陶瓷拥有优良的电学性能，在一定温度范围内存在自发极化，当 高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；介电常数随外 加电场呈非线性变化。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电 容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作红外探 测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作 存贮，显示或开关用的电控光特性，其具有很高的应用前景。 1 铁电陶瓷制备及实验方法 1.1固相反应法制备铁电陶瓷材料的原理及工艺流程 （1）固相反应法是制备功能陶瓷最成熟的方法，主要依靠固相扩散传质进行反应，通常具有以下特点：固相反应一般包括物质在相面上的反映和物质迁移两个过程；一般需要在高温下进行；整个固相反应速度由最慢的速度所控制。 （2）固相反应法制备铁电陶瓷的工艺流程： 1.2 实验方法及过程 （1）配料按制备0.1moL钛酸钡陶瓷计算原料的质量。按照以上计算值，用电子天平称取所需原料，实际称量时应记录实际称量值。 （2）一次球磨将配料所得的混合物，加入氧化锆球和去离子水进行球磨，将得浆料；球磨参数500转/分钟，球磨2小时； （3）一次烘干球磨后用去离子水清洗，将清洗后的浆料放入干燥箱中鼓风干燥，温度：95℃；时间：12小时；待配料干燥到恒重后取出用研钵进行研磨； （4）预烧将研磨后的混合物在1000-1200℃下保温4小时预烧

（5）二次球磨将预烧后的混合物加入氧化锆球和去离子水进行球磨，球磨参数500转/分钟，球磨2小时。 （6）二次烘干将我二次球磨后的浆料用去离子水清洗，将清洗后的浆料放入干燥箱中鼓风干燥，温度：95℃；时间：12小时；待配料干燥到恒重后取出用研钵进行研磨； （7）造粒向烘干后的粉体中加入液体石蜡（6%）完成造粒； （8）成型在15 MPa压力下将粉体压制成φ10mm×1mm 生坯片，用游标卡尺测量生坯片的直径。 （9）排胶和烧结采用适当的排胶制度以去除生坯片中的有机物，将排胶后的生坯片在1300-1350℃下保温2-6h烧结成瓷。 (10)性能测试用游标卡尺测量烧结得到的钛酸钡陶瓷的直径，并计算收缩率。用光学显微镜观察钛酸钡陶瓷的表面形貌，并用X射线衍射仪对陶瓷的晶体结构进行测量。 2 性能测试及分析 2.1普通烧成BT铁电陶瓷的物相分析 01-02组的BT铁电陶瓷的XRD图谱： 分析及说明：

压电陶瓷概论

关于压电陶瓷的研究 压电材料是指具有压电效应，能够实现电能与机械能相互转换的晶体材料，受到压力作用时会在两端面间出现电压，进而表现出压电效应。而压电效应是法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟在1880年发现的。当他们把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例，这就是压电效应。随后，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体压电材料，能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。其具有价格低廉、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,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的优势支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。 压电陶瓷的用途非常广泛，利用压电陶瓷能够实现电能与机械能的转换的特点，人们制造出了声音转换器、压电打火机、超声波换能器等。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音频电信号转换为声音信号。现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。采用大功率发射型压电陶瓷制作的超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备。超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。 压电陶瓷除了在生活生产中有广泛应用，在军事装备与国防建设方面也有广泛的应用。如自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。除此之外，压电陶瓷还是制造声纳的材料。在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是声纳------水下耳朵。，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇的方位、距离等。

压电陶瓷性能参数解析

压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的

铁电材料性能研究

●总的看来，与其它各类阴极相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势： (1) 铁电阴极可在常温下实现激励且伴生有空间电荷平衡的等离子体环 境，使得电子束具有非常小的发散角度和较高的束亮度，所以铁电 阴极又常称作铁电冷阴极(ferroelectric cold cathode)； (2) 通过阴极表面覆盖金属膜形状的设计，容易产生不同的束截面形状； (3) 铁电材料不怕“中毒”，因而对真空环境要求不苛刻； (4) 铁电材料价格低廉，易于制作，结构紧凑，坚固可靠； (5) 铁电冷阴极材料是绝缘体，功函数较低，因而可在较低的萃取电场 作用下实现电子发射；(6) 铁电体的快极化反转理论上可产生5 210 A/cm 量级的最大电流密度，远远超过了热电子阴极和激光照射的光电阴极电子源。 (7) 发射电子能量高 由周期性的自发极化反转产生的铁电体电子发射可用于新型的平面显示器。电子发射出现于电极形状决定的极化区域。因此，铁电显示器可做成投射型显示器，即通过投射转换把整幅图像一次性转换成电信号，而这对于一般场电子发射显示系统是不可能的。铁电陶瓷平板显示技术与其他一些平板显示技术相比,具有许多优点。铁电陶瓷板和铁电薄膜制备工艺较为简单,成本较低,可有效降低平板显示器的制造成本。同时可以根据需要制作出各种尺寸和形状的陶瓷板或薄膜,易于制作出大尺寸的平板显示器,满足市场的需要。现代陶瓷制备技术和薄膜制备技术可以保证制造出高度均匀的铁电陶瓷板和铁电薄膜,使得其在铁电发射时能均匀地发射电子,保证显示器亮度的均匀性。用铁电陶瓷或薄膜代替场致发射显示器中的微尖端场发射阵列,可以避免因微尖端场发射阵列制备不均匀而带来的显示器亮度不均问题。 ●铁电阴极发射的机理主要有两种： 1、快速极化反转引起的电子发射 这种理论认为铁电材料具有自发极化强度 P，在平衡状态下，这种自发极化被表面电荷屏蔽。当施加外电场，机械压力，或者温度发生变化，都会导致 P 的反转，这时铁电材料表面原来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性

铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之一

铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之一 铁电陶瓷材料，是指具有铁电效应的一类功能性陶瓷材料，它是热释电材料的一个分支。 可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可以制作红外探测器等。也可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。广泛应用于航天、军工、新能源产品。 这里介绍的目的，主要是参考它的加工工艺，比如为固体电解质的加工提供参考。另一方面是顺便了解一下这特种陶瓷的用途。 一般性描述： 铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。其电性能：高的抗电压强度和介电常数。在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。 铁电陶瓷拥有优良的电学性能，在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；介电常数随外加电场呈非线性变化。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热

释电性可制作红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性，其具有很高的应用前景。 铁电陶瓷的特性决定了它的用途。利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可以制作红外探测器等。利用其压电性可制作各种压电器件。此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。 目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。 细分的品种有⑴层状铁电陶瓷，⑵弛豫型铁电陶瓷，⑶含铅型铁电陶瓷，⑷无铅型铁电陶瓷，⑸反铁电陶瓷材料，⑹可能的新型铁电陶瓷材料。

铁电材料的特性及应用综述

铁电材料的特性及应用综述 孙敬芝 （河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。 关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言 晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,

压电陶瓷的测试--

第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min 以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排

列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1．压电振子及其等效电路 图2.11 压电振子的等效电路 利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时，若讯号频率与器件的机械谐振频率f r一致，就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振，器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号，这种器件称为压电振子，广泛用于制作滤波器、谐振换能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图2.11来表示，它由电容C1，电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。 2．压电材料的性能测试 压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是

铁电陶瓷材料的研究现状和应用

铁电陶瓷材料的研究现状和应用 1、层状铁电陶瓷 （1）Bi系 目前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列。此系列的突出优点是剩余极化较大Pr（10~35 μC/cm 2）、热处理温度较低（600℃左右）。但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反转之后PZT系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另外，铅的挥发对人体也有害。因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重要的现实意义。而铋系层状钙钛矿结构材料属于铁电材料类且性能较好又不含铅，因此受到人们的广泛关注。 （2）(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3系 (Pb,Ba)(Zr,Ti)O3（简称PBZT）系陶瓷与Pb(Zr,Ti)O3(PZT)同属于ABO3型钙钛矿结构，具有较大的电致伸缩应变，在电子微位移动领域已得到广泛应用。但在使用过程中发现这类铁电陶瓷因其脆性和较低的强度影响了其产品的耐久性和使用寿命，因此改善其机械性能已引起人们的重视。 2、弛豫型铁电陶瓷 弛豫型铁电体（relaxation ferroelectrics，简称RF）是指顺电—铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（ε*(ω) =ε'(ω) ?ε"(ω)，ω为角频率）的实部ε'(ω)随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大ε'(ω)值对应的温度Tm随ω的增加而向高温移动。该特征与结构玻璃（structureglass）化转变、自旋玻璃（spin glass）化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性玻璃（polar glass），相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变。迄今为止，虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究的热点问题之一。另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电性能，因而具有广泛而重要的应用。 3、含铅型铁电陶瓷 铌镁酸铅Pb(Mg1.3Nb2.3)O3(简称PMN)铁电陶瓷材料以很高的介电常数、相当大的电致伸缩效应、较低的容温变化率和几乎无滞后的特点，一直受到人们的关注，在多层陶瓷电容器、新型微位移器、执行器和机敏材料器件及新型电致伸缩器件等领域有着巨大的应用前景。

铋层状压电陶瓷的性能

铋层状结构化合物中许多具有铁电性,如Bi4Ti3O12、Sr2Bi4Ti4O15、(Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15、Bi3TiNbO9、Bi2WO6等,这类铁电压电陶瓷具有下列特点： 1. 介电常数(ε)低(127～154),自发极化强,居里温度高(T C>500℃)，机械品质因数Q m高(2000～7200),矫顽场高。因此,可用于制作高温高频和超声技术领域器件的压电材料；介电损耗低,厚度振动的机电耦合系数k t较小,故可用于高频窄带滤波器；压电性能稳定、谐振频率的时间和温度稳定性好,这一特点适合用于制作高温能量转换领域的器件。这一大体系是一类适合在高温场合下器件应用的压电陶瓷材料,是最具有开发应用前景的无铅压电陶瓷体系之一。 2. 这类陶瓷具有居里温度(T C)高(>500℃)，机电耦合系数各向异性明显,机械品质因数(Q m)高(2000～7200),老化特性好,电阻率高,介电击穿强度大等特征,适合于制作高温、高频工作条件下的压电元器件。 3. 介电常数低、自发极化强(如Bi4Ti3O12的自发极化强度约为50μC/cm2)、居里温度高、压电性能和介电性能各向异性大、电阻率高、老化率低、谐振频率的时间和温度稳定性好、机械品质因数较高和易烧结等。因此,铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换及高温、高频领域有广泛的应用前景。但铋层状结构压电陶瓷明显的缺点是压电活性低,矫顽场高 4. 低的介电常数、高居里温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、大的介电击穿强度、低烧结温度，然而这类陶瓷有两个缺点：一是压电活性低, 这是陶瓷应用的致命弱点，也是研究的难点和热点，这是由于晶体结构特性决定其自发极化转向受二维限制所致；二是Ec 不高，不利于极化，应用在陶瓷显示器中铁电发射性能就差，这通常可通过高温极化来提高Ec。 5. 由于秘层状结构材料具有很多优越的性能,例如低介电常数、高居里温度、机电藕合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、高的介电击穿强度、低烧结温度等引起了人们广泛的关注。且作为铁电材料, 秘层状材料疲劳特性好,漏电流小,因而特别适合于高温、高频场合使用。也很适合用于非挥发随机储存器的记忆材料。 6. 钛酸铋钙(CaBi4 Ti4O15，CBT)是1种铋层状钙钛矿铁电材料，由于其低介电常数(ε)、高Curie 温度、低老化率、高电阻率、低烧结温度而引起国内外研究者的兴趣。 9. BLSFs的介电常数低，介电损耗低，Curie 温度高，机械品质因数(Q m)高，谐振频率的时间和温度稳定性好，抗疲劳性能优异和经受住1012次重复擦写操作的能力。 10. CaBi4 Ti4O15 ( m = 4) 是一种典型的铋层状结构压电材料，其Ca2 + 半径很小,居里温度高达790 ℃.但是其结构的限制,自发极化转向受到二维限制,压电活性较低。 11. SrBi2 Ta2O9材料的剩余极化强度较低,烧结温度较高。 12. 用于制造FRAM的铁电材料，要求具有良好的抗疲劳性能和优良的铁电性能，包括要具有大的剩余极化(2Pr)、低的矫顽场(Ec)，同时，要有不高于现有半导体工艺相匹配的制备温度(小于650℃) SrBi4Ti4O15(简称SBTi)系(n=4、n=5或n=7)陶瓷是铋层状钙钛矿结构铁电陶瓷材料。研究发现：其剩余极化较大(单晶极化强度方向沿a或b轴时，2Pr=58μC/cm2)，热稳定性能也比较好(居里温度为520℃)，另外，SBTi系陶瓷又是非铅系列材料，是一种比较有前途的铁电陶瓷材料。13. 钙钛矿型Pb(Zr,Ti)O3(PZT)材料由于具有较大的剩余极化(P r)、较低的娇顽场(E c)和高的居里温度而得到广泛关注,但PZT存在严重的疲劳问题。同时由于PZT中含有大量的氧化铅,它们在制

压电陶瓷的种类

压电陶瓷的种类 1 铁电陶瓷ferroelecteic ceramics 具有重铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷。从晶体结构来看,铁电陶瓷的晶体的主晶相具有钙钛矿结构,钨青铜结构,铋层状结构和焦绿石结构等。 2 反铁电陶瓷antiferroelectric ceramics 具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷。 3 压电陶瓷piezoelectric ceramics 具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷,由于末经过极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向,故没有压电性。极化处理使其自发极化沿极化方向择优取向。在撤去电场后,陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化,故使陶瓷体有了压电性,成为压电陶瓷。在高温的高温度梯度场中定向析晶的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性。 4 钛酸钡陶瓷barium titanate ceramics 钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料,预先合成后再在高温下烧结而成的。 5 钛酸铅陶瓷lead titanate ceramics 钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。它通常是由四氧化三铅{或氧化铅}和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。 6 二元系陶瓷binary system ceramies 二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体,其中A 代表二价的正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等,B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+或五价的Nb5+等。最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。通过调节两种ABO3型结构的克分子比,以及用取代元素和添加物改性的方法,可以获得各种不同用途的材料。 7 锆钛酸铅陶瓷Lead zirconate ceramic 锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷,这种压电陶瓷目前受到广泛应用。它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体,具有钙钛矿型结构,当锆钛比为53/47左右{即共晶相界附近}时,具有最强的压电性能。 8 三元系陶瓷ternary system ceramics 三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿性结构的锆钛酸铅{PbZrO3-PbTiO3}中二元系再增加第三种{化学通式为ABO3型}化合物而形成的三元系固溶体。所增加的第三种成分,它们的共同特点是在掺入PbZrO3-PbTiO3之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构。 9 铌酸盐系陶瓷niobate system piezoelectric ceramics 铌酸盐系压电陶瓷是具有氧八面体结构的铁电陶瓷,各种铌酸盐陶瓷分别具有钙钛矿型{如KnbO3},钨青铜型{如便铌酸铅PbNb2O6}和焦绿石型{如Cd2Nb2O7}等结构。它们的居里温度高,介电常数小和声速大,尤其偏铌酸铅的机械品质因数QM 很低,适用于超声检测。 10 电光{透明铁电}陶瓷electeo-optic{transparent ferroelectric}ceramics 通常指掺鑭{La}的锆钛酸铅{PZT}陶瓷等,简称PLZT,另外还有掺铋的锆钛酸铅等,它们都有电光效应。在铁电陶瓷中,电畴状态的变化伴随着光学性质的改变,通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制,可有电控双折射{细晶陶瓷}和电控光散射{粗晶陶瓷}等特性。

铁电陶瓷材料

材料工程基础课程铁电陶瓷材料 院系：材料与冶金 专业：金属材料工程 班级：10-材料-1 学号：1061107127 姓名：周联邦 日期：2012-12-3

摘要：本文论述了铁电陶瓷的性质、原理、效应。着重介绍了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。 关键词：铁电陶瓷；铁电性；性质；效应；钙钛矿；应用；研究 铁电陶瓷是指具有铁电性的陶瓷。材料在一定温度范围内能够自发极化，且自发极化能随外电场取向的性质。 铁电陶瓷特性 铁电陶瓷，主晶相为铁电体的陶瓷材料。 它的主要特性为： (1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相； (2)存在电畴； (3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律； (4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线； (5)介电常数随外加电场呈非线性变化； (6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。 (7)电性能：高的抗电压强度和介电常数。低的老化率。在一定温度范围内介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。铁电陶瓷原理 某些电介质可自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向的现象称铁电效应。具有这种性能的陶瓷称铁电陶瓷。铁电陶瓷具有电滞回线和居里温度。在居里温度点，晶体由铁电相转变为非铁电相，其电学、光学、弹性和热学等性质均出现反常现象，如介电常数出现极大值。1941年美国首先制成介电常数高达1100的钛酸钡铁电陶瓷。 主要的铁电陶瓷系统有钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷,钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷，钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。铁电陶瓷的制造工艺大致相同。例如，钛酸钡系陶瓷用超纯、超细的等摩尔碳酸钡和二氧化钛原料混合均匀，在1150°C左右预烧成钛酸钡。加入少量为改善工艺和电性能所需要的附加剂，如产生阳离子缺位的三价镧、三价铋或五价铌离子附加剂，产生氧离子空位的三价铁、三价钪或三价铝离子，置换钡离子使晶格畸变的二价锶离子以及生成液相、降低烧成温度的氧化镁或二氧化锰等附加剂。经过粉磨或其他方法充分混合，用干压、辊压或挤压等方法成型，再在1350°C左右的氧化气氛中烧成。还可采用热压烧结，高温等静压烧结等方法，以提高产品的质量。 铁电陶瓷材料确定原则 铁电陶瓷配方的确定原则：先移后展，有所侧重；单独考虑，综合调整。 铁电陶瓷的三大效应 展宽效应、移动效应和重叠效应是铁电陶瓷改性的三大效应。 (1)铁电陶瓷居里峰的展宽效应 展宽效应：指铁电陶瓷的ε与温度关系中的峰值扩张得尽可能的宽旷平坦，即不仅使居里峰压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料既具有较小的温度系

【CN110002875A】一种利用钽改性铌酸钠锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910382737.7 (22)申请日 2019.05.09 (71)申请人 南昌航空大学 地址 330000 江西省南昌市丰和南大道696 号 (72)发明人 刘智勇　耿欣辉　张安　卢金山　 (74)专利代理机构 南昌洪达专利事务所 36111 代理人 刘凌峰 (51)Int.Cl. C04B 35/495(2006.01) C04B 35/622(2006.01) C04B 35/626(2006.01) (54)发明名称一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法(57)摘要本发明公开了一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，1)、称量一定量的ZrO 2、Ta 2O 5、CaCO 3、Na 2CO 3、Nb 2O 5进行混合后得到铌酸钠基体，然后往铌酸钠基体中添加摩尔百分数为0～70％的钽；2)、将混合后的粉料放入球磨罐中进行两次湿法球磨、干燥、过筛，并将压成坯体进行预烧；3)、完成后倒入球磨罐中进行第三次湿法球磨，干燥，过筛，完成后将粉体用模具压成圆片；4)、将圆片进行冷等静压，随后进行烧结；5)、烧结样品进行测试分析。本发明采用固相合成法，在一定乙醇溶液中进行湿法球磨，获得颗粒微细、粒径均匀原粉；采用热处理烧结工艺，制备 出高性能反铁电储能陶瓷。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 110002875 A 2019.07.12 C N 110002875 A

权　利　要　求　书1/1页CN 110002875 A 1.一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤， 1)、称量一定量的ZrO2、Ta2O5、CaCO3、Na2CO3、Nb2O5进行混合后得到铌酸钠基体，然后往铌酸钠基体中添加摩尔百分数为0～70％的钽； 2)、将混合后的粉料放入球磨罐中进行两次湿法球磨、干燥、过筛，并将压成坯体进行预烧； 3)、完成后倒入球磨罐中进行第三次湿法球磨，干燥，过筛，完成后将粉体用模具压成圆片； 4)、将圆片进行冷等静压，随后进行烧结； 5)、烧结样品进行测试分析。 2.根据权利要求1所述的一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)中湿法球磨中粉、球磨球和球磨介质的质量比例为1:0.8: 2，球磨时间为4～30h。 3.根据权利要求1所述的一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，其特征在于：所述步骤4)中烧结工艺的温度为1100℃～1500℃，烧结时间为1～24h。 4.根据权利要求1所述的一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，其特征在于：所述步骤4)中冷等静压的条件：压力为180Mpa，静压3min。 2

压电陶瓷材料的分类

压电陶瓷材料的分类 1、按主要组成晶体结构分类： 现已实用化的压电陶瓷材料主要分为： （1）钙钛结构矿perovskite structure 具有钙钛矿结构的铁电，压电陶瓷属于ABO3型氧八面体，其中A为一价或二价金属离子，而B为四价或五价金属。半径较大的A正离子，半径较小的B正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角，体心和面心。如图所示。这种结构也可看成是一组BO6八面体按简立方图样排列而成，各氧八面体由公有的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之间的空隙，钙钛矿原胞是立方的，也可畸变成具有三角和四方对称性。钛酸钡，钛酸铅，锆钛酸铅和KxNa1-xNbO3等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构。 （2）钨青铜结构tungsten-bronze structure 具有钨青铜结构的铁电，压电陶瓷也属于ABO3型氧八面体铁电体，一个四方晶胞包含10个BO6八面体，它们由其顶角按一定方式联结而成。偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构。 （3）铋层状结构bismuth layer structure 铋层状结构可以看成是由其氧八面体类钙钛矿层与 {Bi2O12}层交替叠成的。其中类钙钛矿层可以是一层{如Bi2WO6},二层{如PbBi2Nb3O9}，三层{如Bi4Ti8O12}以至

五层。在类钙钛矿层中，其正离子可被许多离子取代。（4）焦绿石结构pyrochlore structure 焦绿石结构是由共同顶角的{NbO6或TaO6}氧八面体组成，而较大的Cd2+{或Pb2+}离子位于氧八面体之间的间隙中。这种结构的铁电体仅出现在Cd2Nb2O2, Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限几种化合物中 *本公司产品压电陶瓷材料主要为钙钛矿结构。 2、按主要组成组元分类： （1）单元系陶瓷unit system ceramics 实用的单元系其结晶构造几乎都是BaTiO3为代表的钙钛矿结构和PbNbO6等的钙青铜结构：属于钙钛矿结构的单元系材料有①BaTiO3、②PbTiO3、③PbZrO3、④居里点高的Ｂ iNaTi2O6(Tc=320℃),BiKTiO6(380℃),Pb2FeNb6(112℃)和Pb3ZnNb2O3(１４０℃)等压电陶瓷。属于钨青铜型结构的单元系压电陶瓷有①ＰbNb2O6②PbTa2O6③用Ｓr.Pb和稀土等置换Ｂa就得到属于钨青铜型结构的化合物ＢaNb2O3 a.钛酸钡陶瓷barium titanate ceramics 钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料，预先合成后再在高温下烧结而成的。

压电陶瓷

学业设计(论文) 压电陶瓷 系别：应用化学与环境工程系专业（班级）：14级应用化学（升本）班作者（学号）：陈云飞（51432221018）指导教师：李宗群（硕士） 完成日期： 2015年5月4日 蚌埠学院教务处

1 引言 ............................................................................................................... - 1 - 1.1 概况................................................................................................................. - 1 - 1.2 压电效应......................................................................................................... - 1 - 1.3压电性能.......................................................................................................... - 2 - 1.4 压电陶瓷材料主要参数的确定..................................................................... - 4 - 1.5 压电陶瓷的极化工艺..................................................................................... - 4 - 1.6 压电陶瓷材料................................................................................................. - 5 - 参考文献................................................................................................................ - 12 -