压电陶瓷具有压电效应,作为一种新型功能材料,高温压电陶瓷被广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域。
高温压电陶瓷包括碱金属铌酸盐、钨青铜结构、钙钛矿结构、铋层状结构等四大类。其居里温度一般都在900℃以下,远远不能满足航空航天等超高温领域的特殊需求。因此,研究超高温压电陶瓷显得尤为重要。
超高温压电陶瓷是指居里温度高于900℃的一类材料。目前,国内外正在进行高性能、超高居里温度的压电陶瓷材料体系的研究,开发超高居里温度(TC)和稳定性好的压电陶瓷材料已成为当今研究热点之一。
01、钙钛矿结构高温压电陶瓷材料
改性钛酸铅压电陶瓷
纯钛酸铅在常温下为四方钙钛矿型结构,介电常数小,压电性能高,压电各向异性大,居里温度高(TC=490℃),因而适于在高温下工作。但是,由于纯钛酸铅陶瓷难以烧结,当晶体冷却通过居里点时,在内应力作用下易自行开裂;大的轴向比率使得其矫顽场大,难以极化。为此,很多研究者采用掺杂形成固熔体的方法来解决这一问题,并取得了较好的研究成果。
PZT基多元系压电陶瓷
Pb(Zr,Ti)O3(PZT)压电陶瓷材料由于具有优异的压电性能,是目前应用广泛且成功的压电陶瓷材料之一,已被广泛用于制作压电驱动器、传感器、滤波器、微位移器、压电陀螺等电子元器件。
当锆钛摩尔比 Zr︰Ti=53︰47时,PZT处于三方相和四方相之间的MPB区域,此时材料的铁电压电性能较好,但居里点为330℃左右,安全使用温度更低,使其应用只能局限在较低温度区域。研究表明,将具有ABO3型钙钛矿结构,且居里点较高的化合物与PZT形成多元系固溶体,可使压电性能在较高温度范围内保持稳定的同时,又不发生结构相变,即具有较高的居里点。
02、钨青铜结构高温压电陶瓷材料
钨青铜结构压电陶瓷具有自发极化大、居里温度较高、压电介电常数较低、光学非线性较大等特点,是一类很有前途的电光晶体材料。此外,铌酸盐钨青铜结构化合物作为重要的高温压电陶瓷材料备受重视。偏铌酸铅PbNb2O6具有四方钨青铜结构,较高的居里温度(TC=570℃),低的品质因数Qm,且在接近居里点时不易退极化,d33/d31值较大,纵向机电耦合系数远大于横向和平面机电耦合系数,因而特别适合用于制备耐高温的换能器。
偏铌酸铅具有较大的应用前景,钨青铜结构铁电体种类众多,进一步对具有高居里点的钨青铜结构铁电体进行改性以及理论基础研究,是获得性能优异的钨青铜结构高温压电陶瓷体系的重要途径。
03、铋层状结构高温压电陶瓷材料
铋层状结构铁电体(Bismuth layer structured ferroelectric,简称BLSF)是一种非常有潜力的无铅高温压电陶瓷材料,化学通式为(Bi2O2)2+- (Am-1BmO3m+1) 2-。与锆钛酸铅陶瓷相比,BLSF具有介电常数、烧结温度以及老化率均低,电阻率高,机械耦合系数各向异性明显,居里温度高(TC>500℃),谐振频率的时间和温度稳定性好等特征,因此该类材料特别适合用于制作滤波器和高温高频领域内的压电器件。
高温压电陶瓷材料的应用有着非常广泛的前景,也是现在国内外研究的热点。作为高温压电陶瓷材料,必须在较高温度下不发生结构相变而影响其压电性,且各向性能参数具有较优异的高温使用特性,才能长期处于高温状态下工作而稳定可靠。同时,随着电子元器件小型化、集成化的发展趋势,高温压电薄膜材料也将成为今后的研究热点。