壓電材料的發展

壓電材料的發展

1、壓電陶瓷

  BaTi0₃是早發現的壓電陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的壓電性設計魚群探測器，其大的缺點是諧頻溫度特性差。，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構的材料，它具有居里溫度高（490℃)、各向異性大(c/a=l.064)和介電常數小(ε= 200)等特點。另外，它的諧頻溫度特性也好，并且頻率常數比PZT髙，所以是一種很有前途的高溫髙頻壓電材料。但是用常規方法很難獲得致密的純PbTiOs壓電陶瓷，因為PbTiO₃陶瓷燒結后,冷卻到居里點（490℃)時易出現微裂紋，甚至破碎。所以人們往往采用引入添加物的方法對其進行改性。現在用Mn、 W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiOa陶瓷，都具有良好的壓電性能，是生產高頻壓電濾波器的優良材料。

  鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，簡稱PZT陶瓷，是壓電陶瓷材料中用得多zui廣的一種。PZT 的機電耦合系數高，溫度穩定性好，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，是壓電陶瓷發展*新的里程碑，大大地提高了壓電陶瓷的性能和擴大了其應用范圍。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

  壓電器件及其應用的發展，取決于壓電材料種類的更新和性能的提高。為了開發壓電新應用，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和壓電陶瓷性能的提高，這些晶體現在大多都已基本上不用了。現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相關器和卷積器等。

  我們的LiNbO₃單晶研究始于1968年，相繼開展了結構分析、缺陷分析、原材料的純化、晶體性能測試以及晶體的電、聲、光 方面的應用研究等。

3、壓電復合材料

  材料科學的發展象許多領域的發展一樣，都有一種曲線規律。一種新效應被發現后，在沒有認識到它的重要性之前，發展是相當緩慢的。但是一旦人們認識到它的重要性即進入快速發展階段。這時便開發出許多實際的應用，從而又相應地發現許多新的材料，接著新材料又會帶來更多的新應用。然而經過一個時期便又會進入飽和階段。目前材料科學的不少領域都處于飽和階段。在過去幾十年中對一些化合物的深入研究表明， 改變摻雜元素的方法，不可能大幅度改進和 提高材料的性能。于是人們進行用不均質的陶瓷材料和精確控制材料的多相性來改進單相材料某些性能的復合材料。

  壓電復合材料有多種復合方式。就結構來說有混合狀的、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 合材料等。

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

  另外，利用復合技術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、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在許多技術領域都有適用性，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、耳機和揚聲器等聲換能器；用于固體、液體和氣體的超聲換能器；醫用換能器和開關器件等。 PVDF有機壓電薄膜還具有相當優良的熱電性，使其在這一領域也能發揮作用。

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