压电陶瓷材料技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

1、一元系压电陶瓷技术

BaTiO3是典型的陶瓷铁电体，具有钙钛矿晶体结构．BaTiO3不溶于水，机电耦合系数大，成为最早的有实用价值的压电陶瓷。BaTiO3压电陶瓷和石英晶体、罗息盐等压电单晶相比具有制备容易，且可制成任意形状和任意极化方向的产品等的优点。

PbTiO3居里温度高(Tc=490℃)，自发极化强度是各种钙钛矿型晶体结构的铁电体中最高的．是一种具有热释电性和压电性，能在高温下使用的压电陶瓷。镧系元素(La，Ce，Nd，Sm，Eu和Gd)的掺入对于PbTiO3陶瓷晶格参数及介电、压电性能的影响比较大。Udomporn等人直接用PbO和TiO2作为初始原料，不掺入其它元素，烧结温度1225℃，严格控制工艺参数，成功合成了晶粒细小致密、组织均匀、烧结密度达到理论值为97％的PbTiO3陶瓷。自80年代以来，逐渐发展了两种新型的改性PbTiO3陶瓷，即Ca—Pb—TiO3陶瓷和Sm—PbTiO3陶瓷。改性的PbTiO3。陶瓷的突出优点是强的压电各向异性．即在一定组分和极化条件下，可以获得高的Kt／Kp。值，优于PZT和PT，这对于电子扫描超声的应用非常有利。

2、二元系压电陶瓷

50年代初，一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料——锆钛酸铅研制成功。由于Ti4+的离子半径与Zr4+的离子半径相近，且两种离子的化学性能相似，PbZrO3和PbTiO3能以任何比例形成连续固溶体。1955年美国国家标准局NBS 研究 所(现称NIST)的Jaffe等人发现，在因成分变化引起的所谓准同型相界或同质异晶相变成分(X=0.52)附近，四方相和三角相共存，相变激活能低，只要在微弱电场的诱导下，就能发生晶相结构的转变，极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数，压电常数是BaTiO3的两倍，且其各方面的性能比BaTiO3陶瓷好得多PZT的出现开辟了压电陶瓷应用的新局面，对压电陶瓷来说具有划时代的意义。为了适应不同的应用需要，获得不同的压电、介电性能，采用改变锆、钛比的方法，Zr／Ti主要集中于53／47和95／5组成范围；但单纯依靠不同Zr／Ti的改变来改善PZT材料的性能，远远满足不了不同领域的要求．还可以在选择Zr／Ti的基础上采取等价离子及不等价离子置换或者掺加杂质、氧化物的方法。微量的添加物或用置换元素进行改性后，二元系配方比一元系配方性能更为优良，具有高耦合、高机械品质因数和高稳定性等特征，在使用范围内没有明显相变点，可作为滤波器等通信材料，而高耦合、高介电常数方面的优点又明显扩大了压电陶瓷的应用范围，不仅可作为振子，而且还可作为换能器材，在这些应用中都充分发挥了压电陶瓷的独特作用。自从PZT压电陶瓷合成成功，它为压电陶瓷应用在变压器、滤波器、换能器、通讯、计测、引燃引爆装置超声延迟线等各个方面打开了前所未有的新局面。

3、三元系及多元系压电陶瓷

PZT压电陶瓷不断改进，逐趋完美。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。1965年，日本松下电气公司把Pb(Mg1/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT中制成了第一种三元系陶瓷。经 研究 发现在这种三元系压电陶瓷中添加一些氧化物会提高机电耦合系数K。和高机械品质因数Qm，还能够使频率常数和老化特性得到改善。三元系陶瓷比二元系陶瓷具有更为优越的性能．可以大幅度地调节可供选择的组成成份和压电性，容易获得高机电耦合数的接收型材料大量 研究 表明，各种驰豫铁电体固溶物与PZT陶瓷组合．以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性．可获得高介电、高压电性能．并在三元系的基础上发展了更为复杂的四元系、五元系陶瓷材料，使压电陶瓷的 研究 前景更为广阔

第二节 产品工艺特点或流程

压电陶瓷材料主要生产过程

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

1、压电复合材料

压电复合材料是指压电相材料和非压电相材料按照一定的连通方式合成而构成的一种具有压电效应的复合材料。常见的压电复合材料是由压电陶瓷(如PZT或Pb-TiO3)和聚合物(如聚偏氟乙烯、环氧树脂或硅橡胶等)组成的两相材料。由于压电复合材料具有优良综合性能和可设计性，因此它的出现引起各国学者的极大兴趣，纷纷开展 研究 ，其 研究 主要集中在美国、日本、德围、南韩等发达国家，其中日本的 研究 工作比较突出。电陶瓷的脆性大．经不起机械冲击：而压电聚合物虽然柔性好，但是它的制备成本高，一般只能在低温范围使用。压电复合材料克服上述两种材料的缺点，兼有两者的优点，既具有优良的压电效应面又保持聚合物的机械可挠曲性。压电复合材料在水声、超声、电声以及其它方面得到了广泛的应用。

2、压电薄膜

随着电子器件的小型化以及新的微电子机械(MEMS)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，可以薄膜代替单晶或多晶材料，而且薄膜易于满足对几何尺寸的要求，成本低于昂贵的单晶铁电材料。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丝网印刷法、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．并且也可以制备厚膜的块体陶瓷因此溶胶一凝胶法制备的PZT薄膜应用于MEMS器件受到重视。

3、无铅压电陶瓷

目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷。近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，研发新型的铁电压电陶瓷已成为世界发达国家致力研发的热点材料之一。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。中国科学院上海硅酸盐 研究 所于2001年成功地开发了钛酸铋钠基无铅压电陶瓷系列(1-x)Nal/2Bil/2TiO3-xBaTiO3， 研究 表明x=0.06时其压电性能最好。日本和美国的一些大学和 研究 机构都在进行无铅压电陶瓷材料的探索，并开发出一些很有价值的压电材料。

4、纳米压电陶瓷

近年来，各国都积极 研究 和开发新的压电功能陶瓷纳米技术的发展已经使陶瓷粉体、纤维、薄膜和块体进入了一个崭新的领域． 研究 的重点大都是从老材料中发掘新效应，开拓新应用，从控制材料组织和结构人手，寻找新的压电材料。由于纳米陶瓷呈现出许多优异的特性．引起了人们的广泛关注。目前材料工作者正在摸索制备具有高致密度的纳米陶瓷的工艺，其中包括有PZT材料的纳米化控制．纳米PZT材料的制备工艺，纳米PZT材料特性的评价方法等。高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是：用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷，将纳米材料应用到陶瓷工艺中去，生产纳米复合或纳米改性的高技术陶瓷。
 

免责申明：本文仅为中经纵横 市场 研究 观点，不代表其他任何投资依据或执行标准等相关行为。如有其他问题，敬请来电垂询：4008099707。特此说明。