壓電鐵電范文

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1.壓電材料最早由Jacques和PierreCurie兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的，居里兄弟在研究熱電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱性的時(shí)候，在α石英晶體上最先發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。1881年，居里兄弟用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了壓電晶體在外加電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形變。絕大部分壓電體來源于鐵電體。一般認(rèn)為，鐵電性的研究始于1920年，是法國(guó)人Valasek發(fā)現(xiàn)的鐵電現(xiàn)象，他觀察到羅息鹽（酒石酸鉀鈉，NaKC4H4O64H2O）的極化可以在施加外電場(chǎng)的情況下反向。1935-1938年，蘇聯(lián)的G.Busch和P.Schemer研制出水溶性壓電晶體磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡(jiǎn)稱KDP)和磷酸二氫氨((NH4)H2PO4，簡(jiǎn)稱ADP)，在四十年代得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)壓電鐵電材料的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。目前，世界上的鐵電元件的年產(chǎn)值己達(dá)數(shù)百億美元。鐵電材料是一個(gè)比較龐大的家族，目前應(yīng)用得最好的是陶瓷系列。但是由于鉛的有毒性及此類鐵電材料居里溫度低、耐疲勞性能差等原因，應(yīng)用范圍受到了限制。開發(fā)新一代鐵電材料己成為當(dāng)今的熱門問題。

2壓電鐵電材料的特點(diǎn)

壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，在電、磁、聲、光、熱、濕、氣、力等功能轉(zhuǎn)換器件中發(fā)揮著重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。壓電材料按其化學(xué)組成和形態(tài)分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物及復(fù)合壓電材料四類。其中壓電陶瓷系列品種眾多，應(yīng)用廣泛。

壓電效應(yīng)是一種機(jī)電耦合效應(yīng)，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之，如果將一塊壓電晶體置于外電場(chǎng)中，由于外電場(chǎng)的作用，會(huì)引起晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心的位移，這一極化位移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變，稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。

在具有壓電效應(yīng)的材料中，具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化強(qiáng)度可以因外電場(chǎng)反向而反向，或者在電場(chǎng)作用下不可反向但可以重取向的晶體稱之為鐵電體(ferroelectrics)。鐵電體中的自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向。所有鐵電體都可以通過人工極化使其具有壓電性，但具有壓電性的并不一定都是鐵電體。

3壓電鐵電材料的制備方法

作為鐵電材料，通常是以薄膜、陶瓷、微粉、單晶等物質(zhì)形態(tài)來進(jìn)行研究的。作為不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用，對(duì)于材料的制備的要求也不同。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)于鐵電材料性能要求的不斷提高，對(duì)于鐵電材料的制備技術(shù)也提出了新的要求。從傳統(tǒng)的陶瓷材料到現(xiàn)在的薄膜和微粉便體現(xiàn)了這一過程。反過來，材料制備技術(shù)的進(jìn)步，也使得人們深入研究材料性質(zhì)及其本質(zhì)得以進(jìn)行。

隨著電子器件向小型化和集成化方向發(fā)展，鐵電薄膜的制備和應(yīng)用得以廣泛研究，尤其在以鐵電存貯器等為實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)的研制開發(fā)方面人們做了大量的工作。鐵電薄膜的主要制備方法有：（1）物理氣相沉積法（PVD），包括濺射法、蒸發(fā)法、激光消融法；（2）化學(xué)氣相沉積法（CVD），包括金屬有機(jī)物CVD、等離子增強(qiáng)CVD、低壓CVD；（3）化學(xué)液相沉積法，包括溶膠凝膠法（Sol-Gel）、有機(jī)金屬化合物分解法（MOD）；（4）金屬溶液沉積法，如液相晶體取向生長(zhǎng)（LPE）。

無鉛壓電鐵電陶瓷制備過程主要包括陶瓷原料粉體的合成、成型、燒結(jié)、被電極和極化等幾個(gè)主要過程，在這些過程中，伴隨著一系列的物理和化學(xué)變化。壓電陶瓷的性能與材料的組分和制備的工藝過程和工藝條件有直接的關(guān)系，所以一整套穩(wěn)定合理的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)異材料性能的重要保證。

生產(chǎn)中廣泛采用的壓電陶瓷工藝，主要包括以下步驟：配料混合預(yù)燒粉碎成型排膠燒結(jié)被電極極化測(cè)試。

(1)配料、球磨混合。

原料選用純度高、細(xì)度小和活性大的粉料，根據(jù)配方或分子式選擇所用原料，并按原料純度進(jìn)行修正計(jì)算，然后進(jìn)行原料的稱量。按化學(xué)配比配料以后，使用行星式球磨機(jī)將各種配料混合均勻。實(shí)驗(yàn)室常采用的是水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)球磨方式，震動(dòng)球磨是另一種常用的球磨方法，此外還有氣流粉碎法等混合方法。

(2)預(yù)燒、粉碎、成型、排膠和燒結(jié)。

混合球磨后的原料進(jìn)行預(yù)燒。預(yù)燒是使原料間發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)以生成所需產(chǎn)物的過程，預(yù)燒過程中應(yīng)注意溫度和保溫時(shí)間的選擇。將預(yù)燒反應(yīng)后的材料使用行星式球磨機(jī)粉碎。

成型的方法主要有四種：軋膜成型、流延成型、干壓成型和靜水壓成型。軋膜成型適用于薄片元件；流延成型適合于更薄的元件，膜厚可以小于10m；干壓成型適合于塊狀元件；靜水壓成型適合于異形或塊狀元件。除了靜水壓成型外，其他成型方法都需要有粘合劑，粘合劑一般占原料重量的3%左右。成型以后需要排膠。粘合劑的作用只是利于成型，但它是一種還原性強(qiáng)的物質(zhì)，成型后應(yīng)將其排出以免影響燒結(jié)質(zhì)量。

燒結(jié)是將坯體加熱到足夠高的溫度，使陶瓷坯體發(fā)生體積收縮、密度提高和強(qiáng)度增大的過程。燒結(jié)過程的機(jī)制是組成該物質(zhì)的原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。燒結(jié)的推動(dòng)力是顆粒或者晶粒的表面能，燒結(jié)過程主要是表面能降低的過程。晶粒尺寸是借助于原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。

(3)被電極、極化、測(cè)量。

燒結(jié)后的樣品要被電極，可選用的電極材料有銀、銅、金、鉑等，形成電極層的方法有真空蒸發(fā)、化學(xué)沉積等多種。壓電陶瓷中廣泛采用的是，在燒結(jié)后的樣品涂上銀漿，在空氣中燒制電極。為了防止空氣在高壓下電離、擊穿，極化一般是在硅油中進(jìn)行。為了獲得優(yōu)良的壓電性能，需要選擇合適的電場(chǎng)強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)臉O化溫度。極化樣品放置24小時(shí)后，用壓電常數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量d33，用高頻阻抗分析儀（Agilent4294A等）測(cè)量介電常數(shù)、介電損耗、諧振頻率等。

4展望

20世紀(jì)80年代以來，國(guó)外期刊中有關(guān)壓電材料及其應(yīng)用的文獻(xiàn)呈逐年上升趨勢(shì)，這說明對(duì)壓電材料及器件的基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究越來越受到學(xué)術(shù)和工程界的重視。到現(xiàn)在，壓電學(xué)和鐵電學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)已得到了不斷的發(fā)展和完善，鐵電材料是一類具有廣闊發(fā)展前景的重要功能材料，對(duì)于其特性的研究與應(yīng)用還需要我們不斷的研究與探索，并給予足夠的重視。