1。3。2 无铅压电陶瓷

虽然铅系压电陶瓷的广泛应用，但是 PZT 基压电陶瓷中有着超过 60%质量 分数 PbO 的成分，而且 PbO 是有毒且易挥发的物质，会对人的血液、神经系统 和脑部造成严重的伤害[12]。而且存放废弃物的 PZT 基压电陶瓷若处理得不理想， 就会对人类赖以生存的地球造成无可挽回的伤害。站在环境保护以及可持续发展 的角度上，无铅压电陶瓷的研发与替代 PZT 基压电陶瓷迫在眉睫，是必然趋势[13]。

那些不仅可以满足日常使用基本要求，并且不会对生态环境产生污染的新 型功能陶瓷材料，就是无铅压电陶瓷，所以又被称为环境友好类型陶瓷。无铅压 电陶瓷相对于铅系压电陶瓷又有几大优势:

（1）当然是保护环境，也认为是最大的优势；

（2）应用场合更广泛，比如在铅基没法运用的领域；

（3）使用温度的范围更长，因为拥有更高的居里温度。

1。3。3 无铅压电陶瓷的几大体系

自从铅系压电陶瓷曝出污染环境的致命弱点后，世界各国科学家们就一直没 有停止研究无铅化压电陶瓷。经过多年的研究与发展，大致可以分为下面 5 类：

1。钛酸钡（BaTiO3）基无铅压电陶瓷

钛酸钡属于 ABX3 型钙钛矿结构，如图 1-2。BT 基无铅压电陶瓷是最早被研

究并实用化的陶瓷，它具有高介电常数、大的机电耦合系数和压电常数等等特点。 所以一直以这些优点在压电陶瓷中占主导，直到钛酸铅系压电陶瓷出现才有所变 化。

图 1-2 钙钛矿晶体结构图

虽然钛酸钡研究最早可能也是目前被研究最成熟的压电体系，但是缺点与不 足同样也不少：（1）压电铁电性能只能属于中等水平，很难再通过掺杂来改变性 能，也就很难再满足日常的变化需求；（2）居里点低，只有 120℃，室温附近容 易发生相变，使用不方便；（3）烧结温度比较高，1300~1350℃，且烧结有一定 难度，这就进一步限制了钛酸钡陶瓷的应用。但是 BaTiO3 有着最大的优势—— 低污染性，所以，近年来环境保护的大环境下，关于 BaTiO3 基陶瓷的研究又热 起来了，再一次重新进入了人们的眼帘，得到重视。比如在以 BaTiO3 为基的陶 瓷中加入第二相，能够得到不含铅的压电陶瓷，再比如为了扩大工作温度区间， 掺杂 SrTiO3、CaTiO3 等物质加入作为第二组元，进行改性，可以取得一些效果， 但是鱼和熊掌不可兼得，不能同时兼顾拓展工作区间和改善性能这两面。

2。钛酸铋钠（Bi0。5Na0。5TiO3 BNT）体系无铅压电陶瓷

1960 年 Smolensky 等人首次发现并合成了钛酸铋钠这种拥有钙钛矿结构的 铁电体，在室温下是三角晶系，是典型的钛酸盐系列代表。由于钛酸盐在室温属 三方相，拥有 320℃的居里温度。所以 BNT 拥有压电性能高、铁电性强、介电 常数较小、且烧结温度较低的优点[14]。被认为是最有可能取代铅基压电材料的 无铅压电材料之一。然而，纯 BNT 陶瓷铁电相区电导率较高，矫顽场强度较高， 不易于极化，所以材料很难实用化[15]。来:自[优.尔]论,文-网www.youerw.com +QQ752018766-

人们为了充分利用 BNT 基陶瓷，所以主要还是通过掺杂改性达到大幅度提 高它的性能。BNT  基无铅压电陶瓷 A 位复合离子（Bi0。5Na0。5）2+离子，特别是

Bi3+离子，导致了该种陶瓷铁电性能强。A 位 Bi3+的量可以影响陶瓷的居里温度、 机电耦合系数、矫顽场强度等等铁电特性。研究人员现主要是在 A 位或者 B 位 的取代改性上，通过添加一种或多种另外的陶瓷体系来找到二元或者多元体系的 准同型相界，以便获得更好的压电性能[16]。