贵州振华红云电子有限公司，贵州 贵阳 550018
采用固相法制备了Bi2O3掺杂的Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3压电陶瓷，研究了体系的微观结构，以及Bi2O3掺杂量对体系压电性能的影响；将体系最优性能的样品装配成微型气泵，并与日本村田的MZB1001T02微型泵进行了性能对比。研究表明，Bi2O3掺杂Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3的无铅压电陶瓷呈单一的钙钛矿结构，少量的Bi2O3掺杂使体系保持了三方-四方相共存的特性。当掺杂量(质量分数)为0.05%时，样品晶粒分布均匀，介电和压电性能最优，即εT33=5 289、kp=0.46、d33=377 pC/N、tan δ=0.72%、Tc=80 ℃，样品具有典型的介电弛豫特性。将上述样品装配在微型气泵中，在输入频率(25±2) kHz、输入电压15 V条件下，测得微型气泵的气压略低于日本村田的微型泵。在某些对气压要求不高的领域，样品能够满足使用要求。
Bi2O3掺杂 无铅压电陶瓷 介电和压电性能 微型气泵 Bi2O3 doped lead-free piezoelectric ceramics dielectric and piezoelectric properties micro air
北京工业大学 材料与制造学部, 北京 100124
(K, Na)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷作为一种环境友好型材料, 兼具较高的居里温度和可调控的相界结构, 在压电器件领域展示出潜在的应用前景, 引起了广泛关注和大量研究。对其物相组成、制备工艺、性能调控等方面的研究进展进行了评述, 并重点介绍了其在压电器件领域的实际应用, 最后对KNN及其在器件应用方面未来的研究和发展方向进行了总结展望。
无铅压电陶瓷 材料设计 制备工艺 性能调控 器件应用 lead-free piezoelectric ceramics material design preparation process performance regulation device application
1 1.华中科技大学 材料科学与工程学院, 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
2 2.广东华中科技大学 工业技术研究院, 东莞 523808
3 3.深圳市基克纳科技有限公司, 深圳 518100
压电陶瓷是一种可以实现机械信号和电信号相互转换的功能陶瓷。由压电陶瓷与有机相构成的复合材料具有不同的宏观连接方式, 这不仅决定了压电器件广泛的应用场合, 而且推动了压电陶瓷材料和器件多样化的成型技术发展。与传统成型技术相比, 增材制造技术的最大优势在于无需模具即可实现外形复杂的小批量样品快速成型, 这与多样化的压电陶瓷及其器件研发需求十分契合, 同时因其样品后续加工量少、原材料利用率高、无需切削液的特点, 得到了学术界和工业界的广泛关注。在陶瓷材料增材制造领域, 功能陶瓷和器件的研究仍在增长期。本文从不同增材制造技术角度, 探讨和对比现阶段无铅和含铅压电陶瓷增材制造的发展历史、原料制备、外形设计、功能特性检测及试样的应用, 并根据现阶段各增材制造技术的优、劣势对其未来进行了展望。
增材制造 含铅压电陶瓷 无铅压电陶瓷 功能特性 综述 additive manufacturing lead-based piezoceramics lead-free piezoceramics functional property review
1 1. 济南大学 材料科学与工程学院, 济南 250022
2 2. 惠州学院 广东省电子功能材料与器件重点实验室, 惠州 516001
钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba0.85Ca0.15)- (Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d33=590 pC•N -1, kp=52.2%, tanδ=0.016, ε T33=5372, d *33=734 pm•V -1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。
(BaCa)(TiZr)O3基无铅压电陶瓷 Sn掺杂 准同型相界 晶粒尺寸效应 (BaCa)(TiZr)O3 based lead-free piezoceramics Sn doping morphotropic phase boundary grain size effect
BiFeO3-BaTiO3陶瓷的低温快速烧结致密化有助于抑制Bi元素的挥发, 降低能耗以及快速筛选出具有优异电学性能的BiFeO3-BaTiO3基陶瓷材料。在200 V/cm的直流电场和280 mA的限制电流作用下, 通过反应闪烧Bi2O3、Fe2O3、TiO2和BaCO3混合粉体, 能够在415 ℃的炉温下, 30 s内获得具有良好铁电及压电性能的致密BiFeO3-BaTiO3陶瓷。反应闪烧过程中, 固相化学反应和烧结致密化同时发生; 限制电流值的大小对样品的相变和致密化程度有重要影响。反应闪烧技术可通过一步闪烧陶瓷材料的前驱体混合粉末而获得单相且致密的陶瓷材料, 为陶瓷材料的快速制备提供了一个新的途径。
铁酸铋-钛酸钡 无铅压电陶瓷 反应闪烧 相变 致密化 bismuth ferrite-Barium titanate lead-free piezoelectric ceramics reactive flash sintering phase transformation densification
为了探究掺杂以及不同烧结气氛对陶瓷的微观结构以及压电性能的影响。通过传统固相法制备并分别在空气和还原气氛条件下烧结了0.96K0.48Na0.52Nb(1-x)TaxO3-0.04BaZrO3-0.3%MnCO3陶瓷。研究表明: 不同气氛烧结的陶瓷均为纯钙钛矿结构, 陶瓷相结构为菱方相与正交相共存, 且Ta的掺杂抑制了氧空位的产生。当掺杂量为0.10时, 还原烧结气氛下性能最优: d33=172 pC/N, d*33=294 pm/V, kp=24.9, εT33εT33QUOTE=820, tanδ =0.021, 且性能优于同组分在空气下烧结的样品(d33=142 pC/N, d*33=220 pm/V, kp=21.1, εT33=593, tanδ =0.022)。还原气氛可以抑制晶粒生长, 促进陶瓷的致密化, 进而提高陶瓷样品的压电性能。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷 钽掺杂 微观结构 还原气氛烧结 potassium sodium niobate-based lead-free piezoelec tantalum-doped microstructure reducing sintering atmosphere
1 浙江清华长三角研究院, 先进陶瓷材料与器件研究中心, 浙江 嘉兴 314006
2 佛山(华南)新材料研究院, 广东 佛山 528200
3 桐乡清锋科技有限公司, 浙江 嘉兴 314501
4 清华大学材料学院, 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084
5 乌镇实验室, 浙江 嘉兴 314500
高性能环境友好型(K,Na)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷是国际上功能陶瓷的重要科学前沿和技术竞争焦点之一。优异的压电性能及其温度稳定性、抗疲劳特性、力学性能以及制备工艺重复性等综合性能是KNN基陶瓷有望得以广泛应用的重要前提, 而这些性能与KNN基陶瓷的多层次结构紧密相关。本工作从多层次结构调控的角度出发, 总结了KNN基陶瓷压电性能与其温度稳定性、抗疲劳特性、力学性能、制备工艺重复性研究等方面的研究进展以及KNN基陶瓷的应用技术研究进展。最后, 就KNN基无铅压电陶瓷的未来发展进行展望。
无铅压电陶瓷 铌酸钾钠 多层次结构 钙钛矿 lead-free piezoceramics potassium sodium niobate multiscale structures perovskite
1 大连交通大学 材料科学与工程学院,辽宁 大连116028
2 大连科技学院 交通运输学院,辽宁 大连 116052
3 大连理工大学 建设工程学部,辽宁 大连 116024
目前压电阻抗法应用中,锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)片尺寸及粘贴位置选择的研究尚不充分。该文通过设计对比实验, 研究了PZT尺寸与粘贴位置对传感器导纳的影响机理。结果表明, 包含被测结构信息的局部密集峰主要分布在谐振频段; PZT尺寸越大, 谐振频段的局部密集峰越强。压电阻抗法中,PZT尺寸应结合检测频段包含谐振频段的原则来选择, PZT的粘贴位置将影响导纳曲线上的局部密集峰分布。研究结果为压电阻抗法应用中PZT的尺寸与粘贴位置选择提供了参考依据。
锆钛酸铅压电陶瓷(PZT) 导纳 尺寸 粘贴位置 压电阻抗法 lead zirconate titanate piezoelectric ceramics(PZT admittance size bonding location electro-mechanical impedamce technique
1 中国振华集团新云电子元器件有限责任公司,贵州 贵阳 550025
2 贵州振华红云电子有限公司, 贵州 贵阳 550025
3 贵州大学 材料与冶金学院, 贵州 贵阳 550025
采用传统的固相反应法将Sn、Ge以不同质量比掺入(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.09Ti0.91-2xSnxGex)O3(x为质量比)无铅压电陶瓷中, 研究其相结构、微观组织、介电性能和压电性能的影响。结果表明, Sn、Ge掺入晶体内部后仍为单一的钙钛矿结构, 没有明显的第二相产生, 但掺杂引起了晶体内部晶格的变化。随着Sn、Ge掺杂量的逐渐增加, 其压电常数和机电耦合系数呈现先增大后减小的趋势。当Sn、Ge的掺杂量x=0.032时, 该体系的居里温度最高(为122 ℃)。
无铅压电陶瓷 锆钛酸钙钡(BCZT) 微观结构 电性能 lead-free piezoelectric ceramics barium calcium zirconium titanate(BCZT) microstructure electrical property
1 桂林电子科技大学材料科学与工程学院, 桂林 541004
2 桂林电子科技大学, 广西信息材料重点实验室, 桂林 541004
BiFeO3基无铅压电陶瓷常因漏电流较大而压电性能欠佳, 然而, 改善其绝缘性和电性能的方法都较为复杂, 限制了其产业化生产与应用。本工作在不针对0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷进行组分掺杂以及气氛烧结的条件下, 仅通过简单的原料预处理(改变Fe2O3原料的干燥时间)即实现了其高绝缘性与高压电性能。研究结果表明,0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷的晶粒尺寸和绝缘性随Fe2O3原料干燥时间的增加而增大, 同时其电性能及温度稳定性也随之增强。当原料干燥时间为192 h时, 样品晶粒尺寸最大, 绝缘性最好, 同时其压电性能(d33=203 pC/N,kp=0.33)和居里温度(Tc=460 ℃)也达到最佳。这为今后BiFeO3基陶瓷压电性能的研究提供了一个新思路。
无铅压电陶瓷 原料预处理 绝缘性 压电性能 居里温度 温度稳定性 0.7BiFeO3-0.3BaTiO3 0.7BiFeO3-0.3BaTiO3 lead-free piezoelectric ceramics raw material pretreatment insulating piezoelectricity Curie temperature temperature stability
