高溫壓電材料講座

1、Southwestern University高溫壓電材料高溫壓電材料2Contents壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)1壓電材料壓電材料2高溫壓電材料高溫壓電材料34研究展望研究展望31. 壓電效應(yīng)（壓電效應(yīng)（Piezoelectric Effect）v正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下，產(chǎn)生某些電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下，產(chǎn)生形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，致使表面帶電，表面電形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，致使表面帶電，表面電荷密度與應(yīng)力成正比荷密度與應(yīng)力成正比v逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：反之，施加外電場，介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械反之，施加外電場，介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械形變，應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比形變，應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比4發(fā)現(xiàn)

2、者發(fā)現(xiàn)者v1880年，李普曼（年，李普曼（Lippmann）教授在研究熱力學(xué)）教授在研究熱力學(xué)原理時(shí)提出了晶體具有壓電效應(yīng)的理論原理時(shí)提出了晶體具有壓電效應(yīng)的理論v同年，他的學(xué)生居里兄弟通過對電氣石的實(shí)驗(yàn)，同年，他的學(xué)生居里兄弟通過對電氣石的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了壓電效應(yīng)的存在證實(shí)了壓電效應(yīng)的存在v1881年，居里兄弟還通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，年，居里兄弟還通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并給出石英相同的正逆壓電常數(shù)并給出石英相同的正逆壓電常數(shù)v所以，一般都認(rèn)為所以，一般都認(rèn)為壓電效應(yīng)是居里兄弟發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)是居里兄弟發(fā)現(xiàn)的52. 壓電材料壓電材料v壓電單晶壓電單晶v壓電陶瓷壓電陶瓷v壓電薄膜壓電薄膜 v壓

3、電聚合物壓電聚合物v壓電復(fù)合物壓電復(fù)合物壓電材料分類：壓電材料分類：6壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用v構(gòu)成濾波器、換能器、壓電驅(qū)動(dòng)器、壓電變壓器、構(gòu)成濾波器、換能器、壓電驅(qū)動(dòng)器、壓電變壓器、壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器、超聲壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器、超聲波傳感器、鑒頻器、壓電振蕩器、紅外探測器等波傳感器、鑒頻器、壓電振蕩器、紅外探測器等電子元器件的重要材料電子元器件的重要材料v被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、汽車、通信、家被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、汽車、通信、家電、地質(zhì)勘探和計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域電、地質(zhì)勘探和計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域7壓電材料的工作溫度壓電材料的工作溫度v壓電材料的工作溫度

4、壓電材料的工作溫度 = Tc/2以下以下v民用電子產(chǎn)品的使用溫度通常在民用電子產(chǎn)品的使用溫度通常在75以下以下v一些軍工電子產(chǎn)品的使用溫度在一些軍工電子產(chǎn)品的使用溫度在125附近附近8部分壓電材料的物理性能部分壓電材料的物理性能T Tc c( (C) ) d33(PC/N)d15k33k15Qm軟軟PZT3304177100.730.7775PbTiO349056680.45-1300(Bi0.5Na0.5)TiO331570-0.4-240(BaPb)Nb2O6400851000.3-15(Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O1560018-0.15-100LiNbO312106690.23

5、0.6NRSiO25732(d11)-NR1059原有壓電材料簡評原有壓電材料簡評vPZT壓電陶瓷材料應(yīng)用最廣泛，實(shí)用壓電陶瓷材料應(yīng)用最廣泛，實(shí)用PZT壓電陶壓電陶瓷居里溫度在瓷居里溫度在300左右左右vPbTiO3居里溫度居里溫度490，難以極化，難以極化vLiNbO3居里溫度居里溫度1210，制備困難，壓電活性低，制備困難，壓電活性低v鎢青銅結(jié)構(gòu)鎢青銅結(jié)構(gòu) PbNb2O6居里溫度居里溫度570 ，制備困難，制備困難v鉍層狀結(jié)構(gòu)鉍層狀結(jié)構(gòu) CaBi4Ti4O15 居里溫度居里溫度Tc = 790，難，難以極化，壓電活性低以極化，壓電活性低10業(yè)界對高溫壓電材料的需求業(yè)界對高溫壓電材料的需求v

6、地質(zhì)勘探、石油開采地質(zhì)勘探、石油開采v航空航天航空航天v核工業(yè)核工業(yè)v汽車工業(yè)汽車工業(yè)1112高溫環(huán)境對壓電材料的要求高溫環(huán)境對壓電材料的要求v高的居里溫度高的居里溫度Tc（工作溫度（工作溫度200以上）以上）v優(yōu)良的壓電性能優(yōu)良的壓電性能133. 高溫壓電材料高溫壓電材料壓電材料介電常數(shù)、壓電常數(shù)與壓電材料介電常數(shù)、壓電常數(shù)與居里溫度的關(guān)系居里溫度的關(guān)系高溫壓電靈敏器件要求高溫壓電靈敏器件要求14(1x)BiScO3-xPbTiO3壓電陶瓷壓電陶瓷v1969年年Tomashpolskii等通過高壓方法合成鈣鈦礦等通過高壓方法合成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的BiScO3v 2001年，年，Eitel等將

7、等將PbTiO3摻入到摻入到BiScO3中，在常中，在常壓下合成鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的壓下合成鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的(1 x)BiScO3-xPbTiO3 陶陶瓷瓷vBSPT是目前唯一居里溫度比是目前唯一居里溫度比PZT高、且壓電性能高、且壓電性能同同PZT陶瓷相當(dāng)?shù)膲弘姴牧咸沾上喈?dāng)?shù)膲弘姴牧?5(1x)BSxPT陶瓷的壓電性能陶瓷的壓電性能含量含量結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Tc()T33d33(pC/N)kPx=0.62三方三方4409002900.49x=0.64MPB45020104600.56x=0.66四方四方46013702600.4316BSPT為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)AXIIBVIOVI17(1x)BiScO3

8、-xPbTiO3體系二元相圖體系二元相圖18BSPT存在的問題存在的問題v改性研究的全面、透徹程度還不如改性研究的全面、透徹程度還不如PZT壓電陶瓷壓電陶瓷v如何提高如何提高PT含量含量BSPT的壓電活性的壓電活性v業(yè)界對更高居里溫度壓電陶瓷體系的需求業(yè)界對更高居里溫度壓電陶瓷體系的需求19其它其它Bi(Me)O3-PbTiO3類壓電陶瓷類壓電陶瓷vBiFeO3-PbTiO3體系（體系（632，不能極化），不能極化） vBiGaO3-PbTiO3體系（體系（485，不能極化），不能極化）vBi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3體系（體系（700，不能極化），不能極化）v0.20BiIn

9、O3-0.80PbTiO3（590，不能極化），不能極化）20鈮摻雜鈮摻雜BIPT80陶瓷的電學(xué)性能陶瓷的電學(xué)性能材料材料T33lossTc( C)d33 (pC/N)kPkt (cm)BIPT801600.06590-1106BIPT80-1%Nb2500.018570180.046-11106BIPT80-2%Nb2550.016550360.10.28 23106BIPT80-3%Nb2700.011531300.070.40 20106（0.20BiInO3-0.80PbTiO3）214. 研究展望研究展望v影響影響B(tài)i(Me)O3-PbTiO3系列陶瓷鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的系列陶瓷鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素?zé)崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)因素v從材料物理與化學(xué)特性出發(fā)，比較準(zhǔn)確的預(yù)知新從材料物理與化學(xué)特性出發(fā)，比較準(zhǔn)確的預(yù)知新Bi(Me)O3-PbTiO3體系壓電陶瓷體系壓電陶瓷MPB的位置以及的位置以及MPB處的處的Tcv對于對于Tc比比BSPT更高的更高的BiFeO3-PbTiO