铁电材料压电特性的研究现状Word下载.docx

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　　Ferroelectricmaterialsincludeferroelectric,piezoelectric,dielectric,pyroelectricandsoon.

Allferroelectricmaterialshavebothferroelectricandpiezoelectricproperties.Thepiezoelectricityofferroelectricmaterialsiswidelyusedinpiezoelectricceramics,Piezoelectricceramicshasaveryimportantirreplaceablerole,themostwidelyusedpiezoelectricceramicsarePZT.ButitcontainsthePbOharmfultothehumanbodyandtheenvironment,sothedevelopmentoflead-freepiezoelectricceramicsisofgreatsignificance,andthecurrenttrendofthedevelopmentofpiezoelectricceramicsindustryislead-freepiezoelectricceramics.Thispaperdescribesthedevelopmentofpiezoelectricpropertiesofferroelectricmaterialsandthecurrentresearchresults,thispaperintroducestheresearchprogressandapplicationfieldofthepiezoelectricpropertiesofseveralferroelectricmaterialsindetail.Finally,thepapersummarizestheproblemsofpiezoelectricmaterialsinthefutureandtheprospectoffuturedevelopment.

Keywords　　　Ferroelectricmaterials　　Piezoelectricmaterials　　Piezoelectriccharacteristics　　PiezoelectricCeramics　　Lead-freepiezoelectricceramics

第1章引言

20世纪20年代年法国人Valasek在罗谢尔盐中发现了铁电效应，这是铁电材质研发的开始。

1935年Busch发现了磷酸二氢钾，它的相对介电常数在30左右，比当时的其他材料高出很多。

20世纪40年代年，BaTiO3等含有钙钛矿构造的铁电材料相继被发现，这一年在铁电材料历史上是重要意义[1]。

1980年以后，铁电唯象和软膜理论满满的健全，铁电晶体的研发逐渐固定下来。

1985年，完善了薄膜制备技术，但是传统铁电体在尺寸上不能达到微型器件的预期，于是铁电体和半导体组合，研发工作人员们开始研究集成铁电体。

铁电材料的物理特性很广泛，包括铁电、压电、介电、热释电等特性以及光电、声光、非线性光效应，主要用来制作铁电以及光电存储器和电容器件等，铁电材料宽广的开发景象使其受到很多关注。

铁电材料可以既具有铁电性又具有压电性。

铁电性是说材料在特定温度下发生自发极化。

压电性是说它能在机械能和电能之间互换。

居里兄弟在1880年发现石英晶体中的压电效应之后，快速进行了压电材料的研发。

压电陶瓷的平稳的化学性质、良好的物理性质、容易变性和极化的性质使它在振荡器、滤波器、传感器、电声转换器等方面得到了开发。

压电陶瓷的开发领域渗透了平常生活、工业和军事的生产[2]。

锆钛酸铅（PZT）的优秀压电特性是1954年美国的Jaffe等发现的，之后将近30年，PZT都是最受欢迎的压电材料。

由于电子新兴产业的推动，大家对压电材料的期望值一点点提高，所以研发多元压电材料以取代二元PZT[3]。

一元系压电陶瓷有钛酸铅（PbTiO3）系压电陶瓷和锆酸铅（PbZrO3）系压电陶瓷，二元系压电陶瓷有锆钛酸铅（PbTiO3-PbZrO3），1965年问世的PCM它由锆酸铅（PbZrO3）—钛酸铅（PbTiO3）—铌镁酸铅Pb（Mg1/3Nb2/3）O3三成分配比而成。

压电材料可以进行机械能—电能互换，在市场上占有每年百亿元的份额，在电子产品、航天、声音传播、高客等方面都有应用。

近50年以来，PZT以其优越性能被广泛应用。

在PZT中，氧化铅（PbO）约占原料总质量的70%。

PbO在温度过高和生产是会散发出有毒气体。

含铅压电陶瓷在制作和应用时会造成人体和环境的污染，所以世界各国的专家开始寻求优秀的无铅压电陶瓷来取代PZT等含铅压电陶瓷[4]。

因为含铅材料的污染，欧盟、美国和我国等国家纷纷建立法律禁止使用含铅材料。

所以，找到可以取代PZT的无铅压电材料是全球难题，它代表了一个国度的实力和财富

最近几年主要开发的无铅压电陶瓷大概可以列为钙钛矿、铋层状结构和钨青铜三大系。

钙钛矿系又包含：

钛酸钡（BaTiO3，简称是BT）压电陶瓷、碱金属铌酸盐（（K1/2Na1/2）NbO3，简记为KNN）无铅压电陶瓷、钛酸铋钠（（Bi0.5Na0.5）TIO3，简记为BNT）系无铅压电陶瓷。

因为它们的框架和构成不相同，所以这些材料的压电特性也不相同。

目前是从以下两个方向来改善压电陶瓷的压电性：

（1）用不一样的制备方法和工艺来提升压电特性，并且能为目前提升压电性能的新技术提供宽阔的前景。

（2）通过掺杂不一样的化学组分来提高压电陶瓷的压电特性[5]。

现在本文主要综述了铁电材料压电特性的原理、发展现状，以及各种压电材料的性能及改性研究。

第2章压电特性的原理

铁电材料分外部和内部，内部晶体包含一些可以自发极化的电畴，没有外部电场时，晶体中的电畴分散紊乱，各个电畴的极化互相抵挡消除，这时候的极化程度是0。

因此不加外电场时，压电陶瓷为中性，不具备压电特性。

但是加入外部电场时，自发极化的电畴会转动，按照外部电场走向排序，使得材料具有极化性质。

施加的外部电场越强，电畴会更多更多的向外部电场的方向转动。

当外部电场到达让材料的极化程度饱和的强度时，或一切电畴的极化走向都与外部电场的方向工整一样时，去掉外部电场，极化走向大部分不改变，这时的材料含有压电性。

压电材料可以达到电能—机械能互换，正逆压电效应组成了压电效应。

压电材料包含正逆两种效应。

与此同时，压电材料中，可以自发极化（一部分来源于离子直接位移；

另一部分是由于电子云的形变）的材料为铁电材料，即具有压电特性的铁电材料[6]。

压电效应在19世纪80年代，两位法国科研人源—居里（Curie）兄弟，发现了石英晶体一种特殊的现象，即如果在石英晶体上按照一个方向割下一块薄镜片，在它的表层加上电极，当晶片在被施加的作用力而发生变化后，两极表层会显现出相等量的正、负电荷。

作用力撤销后，电荷也就消失了。

因为机械力的施加使得晶体表层出现电荷的征象，叫作正压电效应，即图2-1。

之后学者又在另外一部分晶体中展开了相似的测试，证实了大部分晶体都包含这个征象。

这一类含有压电效应的晶体称作压电晶体。

1881年，在发现了正压电效应之后，居里兄弟在测试中证明了另一个物理征象：

把压电晶体放在外部电场里，因为电场的影响，压电晶体会产生变形，而变化的巨细与外电场的巨细成正比例，电场撤销后，晶体变化也消散。

这种因为电场的影响而使压电晶体发生变化的征象，叫作逆压电效应，即图2-2。

测试表明，凡拥有正压电效应的晶状体，也肯定拥有逆效应，两者逐一呼应。

压电材料大致可以分为三类：

（1）压电陶瓷和晶体等无铅压电材质。

（2）具有压电特性的聚合物。

（3）复合压电材料。

在这三类中，压电陶瓷因其机能比其它的稳固，其适用范围又与大家的日常互相联系，因此压电陶瓷的适用比其它的更普遍。

图2-1正压电效应示意图图2-2逆压电效应示意图

（实线表明变化前的状况，虚线表明变化后的状况）

压电陶瓷可以实现机械能—电能互换，大部分为多晶体压电材料。

然而铁电材质的压电原理和石英不一样，铁电陶瓷在没有经历极化的情况下不含有压电效应。

如图2-3所示，晶体按照对称分为32个点群，铁电晶体是压电晶体中的亚族，是以铁电体必然具有压电性，压电性在铁电材料的应用中发挥重要的功能。

图2-3晶体点群中的分类

本文所用到的表征压电特性的物理量为

压电常数d33、介电常数ε、机电耦合系数Kp、介电损耗tanδ等。

第3章铁电材料压电特性的研究

本文综述铁电材料主要从有铅压电材料和无铅压电材料两部分的特性进行展开，其中有铅压电材料介绍了以PZT为主的压电陶瓷的压电性能和改性研究，无铅压电材料主要从铌酸钾钠基（KNN）、钛酸铋钠基（BNT）还有钛酸钡基（BT）陶瓷这三部分来介绍。

3.1PZT的压电性能及改性研究

PZT可以做成好多种外形并拥有杰出的压电、介电和光电等电学性质，因为其制备工艺简单。

在电子信息。

航空等技术区域和机器、通讯等领域广泛应用。

PZT压电陶瓷是由PbTiO3和PbZrO3构成的固溶体，它能实现机械能—电能互换。

它是优秀压电陶瓷材料，而今已成长为PZT系压电陶瓷。

目前PZT压电陶瓷是应用很普遍的具有压电性的材料，PLZT、PMN、PZN等是现实中使用广泛的电致伸缩材料。

PbZrO3和PbTiO3皆是钙钛矿型构造，居里温度分别为230℃和489℃，而且Zr4+离子半径（0.82Å

）和Ti4+离子半径（0.64Å

）相差不多、化学性质类似，是以两种离子能以随意比例形成持续固溶体。

通过如下3-1相图可以看出，在相变温度以下，Zr:

Ti=52：

48附近，有一条准同型相界。

从图中也可以看出在Zr/Ti为95/5的富含Zr的区域,含有一条铁电-反铁电的界限，该构成的PZT包含特别的性能和用途。

在PZT发现后，因其杰出的性能，变为大家压电材料的首选，使BaTiO3时期很多不可以制造的元件变为可能[7]。

图3-1PbZrO3-PbTiO3体系相图

通过探求PZT系压电陶瓷发觉，调换组成或者是改变外部因素可在大规模调整PZT压电陶瓷的电性能。

PZT这种压电材料的开拓在现代技术成长迅速的社会一直是学者们的热门话题，优化PZT压电特性在当前来讲主要是修改化学成分和变换制作方法。

3.1.1通过掺杂改变压电性能

PZT压电陶瓷的最后性质可通过锆钛之间的比例来修改，然而只改变两者的比例不足以达到大家对压电特性的要求，而掺杂一部分其它元素能够更多的转变材料的特性。

科研工作者经过把添加