壓電鐵電材料

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摘要：介紹了壓電鐵電材料，及其特點(diǎn),探討了壓電鐵電材料的制備方法。

關(guān)鍵詞：壓電材料;鐵電材料

1引言

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(lái)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(kāi)發(fā)新一代鐵電材料己成為當(dāng)今的熱門(mén)問(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)程。反過(guò)來(lái)，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(kāi)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(wú)鉛壓電鐵電陶瓷制備過(guò)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(guò)程，在這些過(guò)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(guò)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，如圖1所示。(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(guò)程，預(yù)燒過(guò)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(guò)程。燒結(jié)過(guò)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?；蛘呔Я５谋砻婺?，燒結(jié)過(guò)程主要是表面能降低的過(guò)程。晶粒尺寸是借助于原子擴(kuò)散來(lái)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(lái)，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(shuō)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(lái)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。

參考文獻(xiàn)

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［3］方俊鑫，殷之文.電介質(zhì)物理學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社,1998.