本科课程论文

题 目  压电材料的发展与展望

院 （系）    化学学院       

专    业      化学           

课    程     材料化学       

学生姓名      邹良元        

学    号     2009210469    

指导教师      王宏里         

二○一二年六月

[摘要]：本文简要介绍了压电材料的发展历史，详细叙述了压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料及压电聚合物的发展状况，并对压电材料对日常生活的影响及其目前的研究热点做了概括。

[Abstract] : This article briefly describes the history of the development of the piezoelectric material, described in detail the development of piezoelectric ceramics, piezoelectric single crystal piezoelectric composites and piezoelectric polymers, and piezoelectric material impact on our daily life and itsthe hotspot summarized.

[关键词]：压电材料  压电陶瓷  压电单晶  压电聚合物  压电薄膜

1.引言：

压电材料，简而言之，就是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电材料是一种能够实现电能与机械能相互转化的材料，由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器、医学成像等。

2.压电材料的发展历程

1880年居里兄弟发现，在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使石英晶体表面出现电荷，并且电荷的密度与施加外力的大小成比例，这就是压电体的正压电效应，从此便开始了压电学的历史。随后，1881年居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，并且获得了石英晶体的正逆压电系数。14年沃伊特指出，介质具有压电性的条件是其结构不具有对称中心。而在32类点群中只有20类点群不具有对称中心，属于这20类点群的电介质才可能是压电体。

石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。

除了石英晶体外，罗息尔盐、BaTiO3陶瓷也付诸应用。1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。

1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的锆钛酸铅，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。应用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末期也已实用化。上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。如今,随着环保的需要,实现可持续发展,无铅压电材料也正在研究中。

3.压电材料的分类

3.1无机压电材料　

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。

　　压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

　　相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33 ≥900×10-3C/N, ε ≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。

3.2有机压电材料

又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的。第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

4.压电材料的应用

压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。香烟、煤气灶、热水器、汽车发动机等的点火要用到压电点火器；电子手表、声控门、报警器、儿童玩具、电话要用压电谐振器、蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合，要用到能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；家用电气产品如电视机要用到压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器，甚至压电风扇；收录机要用压电微音器压电扬声器；照相机和录像机要用到压电马达等等。压电器件不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也同样获得了大量应用。雷达、军用通讯和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW滤波器。压电材料还可以应用于结构缺陷的识别、柔性结构振动的控制以及医学上的免疫检测、人工耳蜗等。

总之，压电材料的发展极为迅速，广泛应用于压电滤波器、微位移器、驱动器和传感器等电子器件中，在卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域都有着重要的地位。目前，压电材料又被广泛地应用在智能结构中，在开发下一代高性能机械、航空器和航天器的研究中，科技工作者投入了越来越多的注意力。

5.压电材料的发展趋势

新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化。性能优良的压电材料将成为本世纪重要的新材料。目前压电材料主要研究热点集中在弛豫型单晶、多元体系复合材料以及以下几个方面：

5.1高居里温度压电材料

随着现代科学技术的发展，原子能、能源、航空航天、冶金、石油化工等许多工业和科研部门迫切需要能够在更高的温度下工作的电子设备。众所周知，PZT基压电陶瓷的Tc一般为300~360℃，不能满足某些应用领域的需要，研制一些具有优良压电性（高居里温度T）c的压电陶瓷成为研究的热点。目前关于高温压电陶瓷的研究主要集中在BiScO3-PbTiO（3BSPT）、碱金属铌酸盐和具有非钙钛矿结构的偏铌酸铅三种体系，高居里单晶材料主要为锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）、锗酸锂（LiGeO3）等材料。

5.2细晶粒压电陶瓷

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多晶粒组成的多晶材料。在高频器件以及超低压致动器和微机电系统应用方面，这样的尺寸不能满足需要。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做得更薄，以提高阵列频率。降低多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器的性能都非常有益。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料的研究和应用正成为近期的热点。

5.3无铅压电陶瓷材料

目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中氧化铅约占70%左右。由于氧化铅有毒，高温下易挥发，从而这类材料在制备、使用及后续废弃处理过程中都会给环境和人类生活带来危害。随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，发展环境协调性的无铅铁电压电陶瓷材料及技术是材料发展的趋势之一。目前对BaTiO3、钛酸铋钠（BNT）、铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作。但总体上讲，无铅压电陶瓷与铅基压电陶瓷相比，还存在较大的差距，要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系压电陶瓷，还需要进行大量深入的研究工作。

5.4压电薄膜

    随着电子器件的小型化以及新的微电子机械(VIEVIS )创建新型电子器件，实现电子器件概念上的突破在很大程度上推动从体材料研究转向薄膜只要性能达到要求，可以薄膜代替中晶或多晶材料，而目薄膜易于满足对儿何尺寸的要求，成本低于昂贵的中晶铁电材料。20世纪90年代初兴起的铁电薄膜发展十分迅速，压电薄膜的制备方法主要有溅射法、溶胶一凝胶法、金属有机物热分解法和妊网印刷法、脉冲激光淀积法等。溶胶一凝胶法的优点是能够与光刻工艺兼容，可以制备大面积涂层，能精确地控制膜的组分，制作成本低，并目也可以制备厚膜的块体陶瓷，囚此溶胶一凝胶法制备的PZT薄膜应用于VIEVIS器件受到重视。这些在手机制造中得到了广泛的应用。

6.结束语

压电材料广泛泛用于电子技术、激光技术、通讯、生物、医学、导航、自动控制、精密加工、传感技术、计量检测、超声和水声、引燃引爆等军用、商用及民用领域。但是还是有很多有待提高的地方，如PZT基压电陶瓷的Tc一般为300 -3600C，不能满足某些应用的需要，研制一些具有优良压电性高居里温度Tc的压电陶瓷成为研究热点;还要继续探索弛豫铁电中晶具有高压电活性的机理，并寻求新的低铅及无铅的、位于类质异晶相界的压电新材料;希望压电陶瓷能在较低温度(-4 0C)及高静水压力(20VIPa)下工作，满足深海探索的需求;开展PZT基陶瓷在低温(<-1000C)条件下的性能研究以适应太空的需要。所有这些均期待中大家的努力探究。

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