壓電材料的發(fā)展

壓電材料的發(fā)展

1、壓電陶瓷

  BaTi0₃是早發(fā)現(xiàn)的壓電陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的壓電性設(shè)計(jì)魚群探測(cè)器，其大的缺點(diǎn)是諧頻溫度特性差。，但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTi0₃中的Ba，可以改進(jìn)BaTi0₃陶瓷的溫度特性。

  象BaTiO,那樣的單元系壓電陶瓷，還有PbTiO₃和PbZrO₃等。PbTiO₃陶瓷是一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，它具有居里溫度高（490℃)、各向異性大(c/a=l.064)和介電常數(shù)小(ε= 200)等特點(diǎn)。另外，它的諧頻溫度特性也好，并且頻率常數(shù)比PZT髙，所以是一種很有前途的高溫髙頻壓電材料。但是用常規(guī)方法很難獲得致密的純PbTiOs壓電陶瓷，因?yàn)?/span>PbTiO₃陶瓷燒結(jié)后,冷卻到居里點(diǎn)（490℃)時(shí)易出現(xiàn)微裂紋，甚至破碎。所以人們往往采用引入添加物的方法對(duì)其進(jìn)行改性?，F(xiàn)在用Mn、 W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiOa陶瓷，都具有良好的壓電性能，是生產(chǎn)高頻壓電濾波器的優(yōu)良材料。

  鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，簡(jiǎn)稱PZT陶瓷，是壓電陶瓷材料中用得多zui廣的一種。PZT 的機(jī)電耦合系數(shù)高，溫度穩(wěn)定性好，并且有較高的居里溫度（?300℃)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者是通過添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素來改性，可以制成許多不同用途的PZT型壓電陶瓷，如PZT—4、PZT—5、PZT—6、PZT—7 和 PZT—8 等。PZT陶瓷的出現(xiàn)，是壓電陶瓷發(fā)展*新的里程碑，大大地提高了壓電陶瓷的性能和擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。除了PZT之外，二元系壓電陶瓷還有（Pb，Ba)Nb0₃、（Na,K)Nb0₃和(Na，Cd)Nb0₃等，都是比較適用的壓電材料。

2、壓電晶體

  壓電器件及其應(yīng)用的發(fā)展，取決于壓電材料種類的更新和性能的提高。為了開發(fā)壓電新應(yīng)用，在石英晶體之后，人們又研制出了羅息爾鹽、KDP、ADP、EDT、DKT和LH等多種壓電晶體。但是由于它們的性能往往存在某種或某些缺陷，例如羅息爾鹽易水解等，所以隨著人造石英的大量生產(chǎn)和壓電陶瓷性能的提高，這些晶體現(xiàn)在大多都已基本上不用了?，F(xiàn)在石英晶體仍是重要的，也是用量大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等頻控元件的壓電材料。除了石英之外，性能好并且使用量也大的壓電晶體是鈮酸鋰(LiNbO₃)和鉭酸鋰(LiTa0₃)。它們大量地用作SAW器件,例如SAW濾波器、振蕩器、延遲線以及SAW相關(guān)器和卷積器等。

  我們的LiNbO₃單晶研究始于1968年，相繼開展了結(jié)構(gòu)分析、缺陷分析、原材料的純化、晶體性能測(cè)試以及晶體的電、聲、光 方面的應(yīng)用研究等。

3、壓電復(fù)合材料

  材料科學(xué)的發(fā)展象許多領(lǐng)域的發(fā)展一樣，都有一種曲線規(guī)律。一種新效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，在沒有認(rèn)識(shí)到它的重要性之前，發(fā)展是相當(dāng)緩慢的。但是一旦人們認(rèn)識(shí)到它的重要性即進(jìn)入快速發(fā)展階段。這時(shí)便開發(fā)出許多實(shí)際的應(yīng)用，從而又相應(yīng)地發(fā)現(xiàn)許多新的材料，接著新材料又會(huì)帶來更多的新應(yīng)用。然而經(jīng)過一個(gè)時(shí)期便又會(huì)進(jìn)入飽和階段。目前材料科學(xué)的不少領(lǐng)域都處于飽和階段。在過去幾十年中對(duì)一些化合物的深入研究表明， 改變摻雜元素的方法，不可能大幅度改進(jìn)和 提高材料的性能。于是人們進(jìn)行用不均質(zhì)的陶瓷材料和精確控制材料的多相性來改進(jìn)單相材料某些性能的復(fù)合材料。

  壓電復(fù)合材料有多種復(fù)合方式。就結(jié)構(gòu)來說有混合狀的、層狀的、梯形和蜂窩形的。就材料來說，有PZT/聚合物、PZT/PZT(兩種PZT的組分不同）、PZT(致密)/PZT(多孔）/ PZT(致密）以及其它壓電材料與聚合物的復(fù) 合材料等。

  復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是在某些方面能突破原有材料的*性能而獲得遠(yuǎn)比此為高的材料。例如用PZT/硅橡膠制成的復(fù)合材料，其壓電電壓系數(shù)達(dá)300X 10^-3V . m/N，比PZT大15倍，并且具有有機(jī)材料的某些優(yōu)點(diǎn)：柔順、易制成大面積和復(fù)雜形狀的器件、聲阻抗低、易和液體及人體匹配。又如將兩種溫度系數(shù)相反的材料復(fù)合，例如PZT 53/47 和PZT 40/60的溫度系數(shù)分別為正的和負(fù)的，把這兩種不同組分的PZT陶瓷制成“2— 2”連通模式的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其溫度系數(shù)幾乎接近于零。

  另外，利用復(fù)合技術(shù)不僅能提高材料的壓電性能、熱電性能，還能提高材料的耐壓性以及抗去極化性。

4、 壓電高聚合物

  以PVDF為代表的壓電高聚合物薄膜,壓電性強(qiáng)、柔性好，特別是其聲阻抗與空氣、水和生物組織很接近。因此PVDF在許多技術(shù)領(lǐng)域都有適用性，特別是用它制作用于液體、生物體及氣體的換能器，可獲得比用其它壓電材料制作的換能器好的阻抗匹配。用 PVDF材料可制成各種換能器，如微音器、耳機(jī)和揚(yáng)聲器等聲換能器；用于固體、液體和氣體的超聲換能器；醫(yī)用換能器和開關(guān)器件等。 PVDF有機(jī)壓電薄膜還具有相當(dāng)優(yōu)良的熱電性，使其在這一領(lǐng)域也能發(fā)揮作用。

  此外，氧化鋅、氮化鋁和五氧化二鉭等薄膜型壓電陶瓷材料，已成為當(dāng)今微波器件的關(guān)鍵材料。