1。3 无铅压电陶瓷

从上面介绍可以看出压电陶瓷作为一类重要的功能材料是目前各国竞相研究开发的对象。但是，传统的压电陶瓷主要是以Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)为基本成分的铅基压电陶瓷，其中PbO(或Pb，O)的含量约占原材料的70％，这类陶瓷在生产、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境带来严重危害，影响生态平衡。而无铅压电陶瓷的表面含义是不含铅的压电陶瓷，深度意义上是指既具有优异的性能又有良好的环境协调性的压电陶瓷[6]。随着人们环保意识的增强，铅污染的问题受到了越来越多的关注。为了保证人类社会和生态环境的协调发展，一些发达国家和地区已通过立法的形式来禁止含铅材料的使用。因此，无铅化是压电陶瓷材料未来的主要发展方向。针对无铅化这一课题，从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始了对以钛酸盐和铌酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究，做了大量的工作也取得了一些成果，但是目前所研究的几大无铅体系与 PZT 压电陶瓷相比在压电性能方面都存在各自的不足，目前还没有一个无铅压电陶瓷体系可以完全取代含铅压电陶瓷在各领域的应用[7]。

就目前研究和开发的无铅压电陶瓷而言，它的体系大致可分为钛酸钡基、钛酸铋钠基、铌酸钾钠基、含铋层状结构和钨青铜结构无铅压电陶瓷等[8]。

1。3。1钛酸钡(BT)基

BaTiO3 陶瓷具有钙钛矿结构，是无铅压电陶瓷中发现最早的一个体系，发现于20世纪40年代，BaTiO3 也是最早应用的压电陶瓷材料，BaTiO3 陶瓷具有高介电性，较大的机电耦合系数和较小的介电损耗等特性，被广泛的应用于陶瓷电容器和压电电子器件中。纯 BaTiO3 陶瓷居里温度一般在120℃以下，可应用的温度范围比较窄。另外，在0℃附近存在正交四方相变，因此其性能温度稳定性差，这些不足限制了BaTiO3 陶瓷的应用。为了改善 BaTiO3 陶瓷的性能，科研工作者做了大量的工作，也取得了显著的进展,例如在以Zr取代Ti 且添加金属氧化物形成的 BaxTi1-yZryO3 体系中，可以将陶瓷的适用温度拓宽到30～80℃范围，并且具有良好的压电性能压电常数 d33 可达 340 pC/N、纵向机电耦合系数 kP高达0。65。特别是最近几年在 BaTiO3压电陶瓷的研究中发现(Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 和(Ba,Ca)(Ti,Sn)O3在最佳组分时具有和铅基压电陶瓷可比的优异的压电性能（d33=620 pC/N）这些成果激发了科研工作者对 BaTiO3压电陶瓷的研究热情[9]。

1。3。2 钛酸铋钠(BNT)基

钛酸铋钠（Bi0。5Na0。5TiO3，简称 BNT）是前苏联科学家 Smolensky[10]和Aganovskaya在1960年发现的一种复合钙钛结构的铁电体，它的A位由钠离子Na+和铋离子Bi3+ 共同占据， 钛离子 Ti3+占据 B 位，氧离子处于面心上，如图1。1(a)中所示，在1。1(b)中可以看到这种结构可以看作是由公用的氧离子连接而成的氧八面体网络结构。在室温下钛酸铋钠为三方相结构，在230℃附近由铁电相变为反铁电相，在居里温度Tc= 320℃附近，又转变为四方顺电相，当Tc达到520℃以上时，BNT变为立方相结构。

图1。1 钙钛矿晶体结构示意图[10]

    BNT 基无铅压电陶瓷铁电性强（剩余极化强度 Pr =38μC/cm2），介电常数低及声学性能好等特性，被认为是最有潜力的无铅压电陶瓷之一。但是BNT压电陶瓷矫顽场过高（室温下Ec 高达73kV/cm），极化困难造成其压电活性低。此外制备 BNT 的原料中氧化钠（Na2O）易吸水潮解，铋离子在烧结过程中易挥发，造成了 BNT 陶瓷的烧结致密性、物理化学性质的稳定性较差。这些不足导致纯 BNT 无铅压电陶瓷无法满足实用化的要求。论文网