中國粉體網訊 壓電陶瓷是一種具有壓電效應的多晶體，實際上壓電陶瓷是可以將機械能轉化成電能（正壓電效應）的“法器”，如壓電陶瓷打火機；還可以將電能轉化成機械能（逆壓電效應），如口罩機上使用的超聲波換能器壓電陶瓷環(huán)。
壓電陶瓷屬于電子陶瓷的一個分支，在現代光機電產品中占有十分重要的地位。隨著電子光機電技術的高速發(fā)展，壓電陶瓷的應用領域正在迅速拓寬，對壓電陶瓷元器件也提出了更高的要求。一些重要的領域迫切的需要高溫穩(wěn)定工作的電子設備，而這些電子設備的壓電材料在高溫環(huán)境下使用需要以下條件：
（1）應具有較高的居里溫度；
（2）在較寬的溫度范圍內，材料的壓電參數保持穩(wěn)定，能保證正常工作。
目前，科學家都普遍致力于高居里溫度、高性能的壓電陶瓷材料的研究。
壓電陶瓷材料為何要求高居里溫度
所有的壓電陶瓷材料都具有居里溫度Tc，當低于居里溫度時，壓電陶瓷處于極化有序狀態(tài)，表現出鐵電相；當高于居里溫度，壓電陶瓷由鐵電相轉變?yōu)轫橂娤�，陶瓷內部點偶極距雜亂無章，發(fā)生退極化。通常壓電材料的晶體結構可以決定居里點的高低，但晶體結構并不是一成不變的，它會隨著溫度變化而改變。單一組元鐵電體的居里溫度由極化離子在某溫度下自由能的高低狀態(tài)來決定；鉍層狀結構化合物的居里溫度則會受到A位離子的半徑和電負性、被取代的Bi含量以及層數m等的影響。
高溫壓電陶瓷材料有哪些？
高溫壓電陶瓷從晶體結構上可分為鈣鈦礦型、鉍層狀型、鎢青銅型和堿金屬鈮酸鹽型。
1、鈣鈦礦型高溫壓電陶瓷
目前，鈣鈦礦結構材料已經成為材料科學領域研究熱點，鈣鈦礦屬于一種復合金屬氧化物，其晶體結構為立方晶系。
鈣鈦礦結構
早在1942年美國、日本等國已經發(fā)現一種特殊的鈣鈦礦結構晶體——鈦酸鋇（BaTiO3）,該晶體被稱為電子陶瓷產業(yè)的支柱，被廣泛應用于多層陶瓷電容器、熱敏電阻器和電光器件等領域。此外，鈦酸鋇陶瓷居里溫度偏低，僅為120℃，然后其燒結溫度卻能達到1300℃。
鈦酸鉛（PT）是一種高居里溫度鈣鈦礦結構鐵電材料。純的鈦酸鉛晶粒冷卻過程中，晶體結構會從立方相轉為四方相，但轉變過程中產生的內應力容易導致陶瓷碎裂，難以極化，所以鈦酸鉛在制備中燒結較難。為解決這個難題，就不得不加入適量的改性添加劑來獲得性能優(yōu)良的壓電陶瓷材料。
除了改性的PbTiO3陶瓷，目前研究較為廣泛的主要為鋯鈦酸鉛（PZT）,作為一種極有發(fā)展前景的功能材料，通常被用來制作各種電子元器件，同時其還兼?zhèn)渲苽涔に嚭唵�、原材料容易獲得、價格低廉等優(yōu)點。但因為其居里溫度只有386℃，限制了PZT陶瓷在高溫領域的應用。為此，研制出了一種新BSPT陶瓷。
BSPT體系和其他體系壓電陶瓷性能比較
PZT、BSPT等常用的高溫壓電陶瓷均含有對人體和環(huán)境有害的鉛，而不含鉛元素的壓電陶瓷材料的壓電性能都一般比較低，它們無法完全替代PZT陶瓷，在人類社會可持續(xù)發(fā)展的要求下，無鉛壓電陶瓷將成為最終的發(fā)展方向。
2、鉍層狀結構壓電陶瓷
鉍層狀結構壓電陶瓷作為一種極具潛力的無鉛高溫壓電陶瓷材料，近年來，鉍層狀結構陶瓷壓電性能的提升研究逐漸成為熱點。一般采用工藝改性和摻雜取代改性兩種方法。相比PZT陶瓷來說，鉍層狀結構壓電陶瓷常被制成壓電器件應用于濾波器。能量轉換及高溫高頻等領域。
3、鎢青銅結構壓電陶瓷
鎢青銅結構壓電陶瓷具有居里溫度高、介電常數低、各向異性較大等特點，是一種很有前途的電光晶體材料，在全息存儲、集成光學及光信號處理等領域具有廣泛應用。
最早發(fā)現的鎢青銅型鐵電體材料是偏鈮酸鉛（PbNb2O6），其具有四方鎢青銅結構，較高的居里溫度（TC=570℃），低的品質因數Qm，且在接近居里點時不易退極化，d33/d31值較大，縱向機電耦合系數遠大于橫向和平面機電耦合系數，因而特別適合用于制備耐高溫的換能器。
4、堿金屬鈮酸鹽壓電陶瓷
20世紀40年代末，美國科學家首次合成出堿金屬鈮酸鹽型化合物（ANbO3），這類化合物具有優(yōu)異的電學性能、可用于制備高頻元器件，被公認為有望取代鉛基材料的候選者。鈮酸鋰(LiNbO3)是其中最具有代表性且應用最廣泛的，其居里溫度約為1210 ℃，具有良好的壓電、鐵電、光電、熱電和非線性光學特性，可用來制各壓電濾波器高溫環(huán)境下的換能器等。但鈮酸鋰壓電陶瓷中的Li元素在燒結過程中容易揮發(fā)，存在制備困難、燒結溫度范圍窄的特點。
再之后，無鉛壓電陶瓷(K，Na)NbO5（簡稱KNN)被發(fā)現，該類壓電陶瓷具有較低的介電常數、較高的居里溫度和品質因數，但壓電和機電耦合性能表現一般，可用于光電材料和高頻換能器。
高溫壓電陶瓷材料的應用
高溫壓電陶瓷材料在新能源、核能、石油化工、地質勘探、航空航天、汽車工業(yè)以及國防等領域具有非常重要的應用。
航空航天領域：采用高溫壓電傳感器對飛行發(fā)動機、機翼等部件進行溫度、振動加速度以及葉片疲勞等進行實時監(jiān)測。
汽車工業(yè)：通常選用高居里溫度的高溫壓電閥應用在內燃機中。
石油勘探：往往需要采集溫度、密度、壓力及化學組成等數據，這就需要用到高溫壓電傳感器。
國防領域：超高速飛行器也迫切需要具有耐高溫、高壓的壓電驅動器與傳感器。
目前，美國的 Endevco 公司和 PCB 公司、瑞士Vibro-Meter 公司和丹麥 B&K公司都能夠生產出成熟的高溫壓電振動傳感器，尤其是美國 Endevco公司，生產的航空發(fā)動機專用高溫壓電振動傳感器已成為全世界航空發(fā)動機振動監(jiān)控的標準，下圖給出了該傳感器的結構。
而大部分用于生產壓電振動傳感器的陶瓷材料主要為改性后的鉍層狀結構壓電陶瓷材料，具有極高的研發(fā)應用潛力國內部分科研單位也對高溫壓電振動傳感器開展了系統(tǒng)研究，并實現小批量生產，但與同外先進壓電陶瓷材料相比仍什作一定差距，尤其在長時問溫度穩(wěn)定性，機載環(huán)境適應件等方面。
參考來源：
王丹鈺：高溫壓電陶瓷材料的研究進展及應用
粉體網：淺析：高溫壓電陶瓷材料
（中國粉體網編輯整理/空青）
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