功能陶瓷是先進(jìn)陶瓷的重要組成部分，是以電、磁、聲、光、熱和力學(xué)等信息的存儲(chǔ)、檢測(cè)、耦合及轉(zhuǎn)換等主要特征的介質(zhì)材料，主要包括壓電、介電、熱釋電和磁性等功能各異的新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領(lǐng)域的主流材料之一。

壓電陶瓷

目前大多數(shù)商用現(xiàn)成的壓電陶瓷是幾種氧化物的復(fù)合物，這些氧化物在外力作用下變形以產(chǎn)生電信號(hào)。氧化鋯具有特殊光、電性能以及高絕緣等物理特性。目前氧化鋯基的壓電陶瓷有鋯鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鋯酸鍶等，主要用于電容器、濾波器、集成電路基板等陶瓷器件。

什么是壓電效應(yīng)？

某些電介質(zhì)在沿一定方向受外力作用而變形時(shí)﹐內(nèi)部產(chǎn)生極化的同時(shí)﹐在晶體的兩個(gè)相對(duì)的表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷，此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)是指晶體因機(jī)械應(yīng)力的作用而使其介質(zhì)化﹐并使其表面荷電的效應(yīng)。反之﹐當(dāng)在晶體外部施加電場(chǎng)時(shí)，受電場(chǎng)影響的晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變﹐稱為逆壓電效應(yīng)。

左：正壓電效應(yīng) 右：逆壓電效應(yīng)

1、鋯鈦酸鋇

BaTiO₃系列鐵電材料是一種重要的功能材料，其中，鈦酸鍶鋇(BST)固溶體表現(xiàn)出優(yōu)良的鐵電性能，如高介電常數(shù)、強(qiáng)介電非線性、不易疲勞、居里溫度可調(diào)等特性，在微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，當(dāng)外加直流電場(chǎng)超過(guò)幾十萬(wàn)V/cm以后，其漏電流密度上升幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并在2×10⁶ V/cm左右發(fā)生擊穿，從而限制了薄膜材料的最小厚度。

而鋯鈦酸鋇(BZT)是—種可能替代BST的材料，這是因?yàn)閆r⁴⁺比Ti²⁺的半徑大（分別為0.087 nm和0.068 nm），當(dāng)Zr⁴⁺取代ABOs鈣鈦礦結(jié)構(gòu)B位的Ti²⁺時(shí)，可增大材料的晶格常數(shù)，并且Zr⁴⁺比Ti²⁺更穩(wěn)定。與BST相比，BZT中Ti⁴⁺與Ti³⁺之間的電子跳躍引起的電導(dǎo)減小了。因此，BZT材料的研究越來(lái)越受到人們的高度關(guān)注。

燒結(jié)好的BZT陶瓷的SEM圖

鋯鈦酸鋇陶瓷作為高介電材料，室溫介電常數(shù)可以高達(dá)20000以上，是典型的MLCC高介瓷料的主要成份。其制備方法大致分為以下幾種：固相法、溶膠凝膠法、微波燒結(jié)、機(jī)械合金化、低溫?zé)Y(jié)、水熱合成法、共沉淀法等。

2、鋯鈦酸鉛

鋯鈦酸鉛是一種無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式為 Pb [ Zr_xTi_1?x] O₃ (0≤x≤1)。也稱為鈦酸鋯鉛，它是一種白色至灰白色的陶瓷鈣鈦礦材料，顯示出顯著的壓電效應(yīng)，這意味著該化合物在施加電場(chǎng)時(shí)會(huì)改變形狀。它用于許多實(shí)際應(yīng)用，例如超聲波換能器和壓電諧振器。

鈦酸鉛鋯最早于 1952 年左右在東京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)。與之前發(fā)現(xiàn)的基于金屬氧化物的壓電材料鈦酸鋇相比，鈦酸鉛具有更高的靈敏度和更高的工作溫度。壓電陶瓷因其物理強(qiáng)度、化學(xué)惰性和相對(duì)較低的制造成本而被選擇用于應(yīng)用。鋯鈦酸鉛的相對(duì)介電常數(shù)可以在300到 20000的范圍內(nèi)，具體取決于取向和摻雜。

鋯鈦酸鉛超聲換能器

不過(guò)隨著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的需求增長(zhǎng)，類似的含鉛壓電陶瓷被認(rèn)為制作過(guò)程會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。比如說(shuō)2001年歐州議會(huì)就已通過(guò)關(guān)于“關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令”的法令，要求投放歐盟市場(chǎng)的電器和電子產(chǎn)品不得有鉛、汞、鎘、6 價(jià)鉻、聚溴二苯醚和聚溴聯(lián)苯等有害物質(zhì)。

3、鋯酸鍶

鋯酸鍶(SrZrO₃)陶瓷具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，主要原料為碳酸鍶、二氧化鋯，加入少量改性添加物，一般用于制造高頻熱穩(wěn)定陶瓷電容器和高溫陶瓷電容器。相對(duì)介電常數(shù)28~30，介質(zhì)損耗角正切值4×10-6(0.5~5MC)，介電常數(shù)溫度系數(shù)為(15～25)×10^-6/℃，擊穿強(qiáng)度為15~25kV/mm，體積電阻率大于1012Ω·cm。

鋯酸鍶粉體

鋯酸鹽瓷的主要優(yōu)點(diǎn)是高溫介電性能比含鈦陶瓷高，含鈦的金紅石瓷、鈦酸鎂瓷等通常只能在85℃下工作。工作溫度太高且在直流電場(chǎng)作用下，含鈦陶瓷容易發(fā)生電化學(xué)老化，即絕緣電阻逐漸減小，介質(zhì)損耗逐漸增大，以致最后不能使用。鋯酸鹽瓷大部分能工作在155℃甚至更高溫度下，而很少發(fā)生電化學(xué)老化。在鋯酸鹽化合物中，適宜于制造高頻電容器的材料只有鋯酸鈣和鋯酸鍶兩種。

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