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氧化锆基压电陶瓷有几种?
日期:2023-02-13    浏览次数:
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功能陶瓷是先进陶瓷的重要组成部分,是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料,主要包括压电、介电、热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料,其中压电陶瓷是功能陶瓷领域的主流材料之一。

压电陶瓷

压电陶瓷

目前大多数商用现成的压电陶瓷是几种氧化物的复合物,这些氧化物在外力作用下变形以产生电信号。氧化锆具有特殊光、电性能以及高绝缘等物理特性。目前氧化锆基的压电陶瓷有锆钛酸钡、锆钛酸铅、锆酸锶等,主要用于电容器、滤波器、集成电路基板等陶瓷器件。

什么是压电效应

某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时﹐内部产生极化的同时﹐在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷,此现象称为压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体因机械应力的作用而使其介质化﹐并使其表面荷电的效应。反之﹐当在晶体外部施加电场时,受电场影响的晶体会产生机械形变﹐称为逆压电效应。

压电效应

左:正压电效应 右:逆压电效应

1、锆钛酸钡

BaTiO3系列铁电材料是一种重要的功能材料,其中,钛酸锶钡(BST)固溶体表现出优良的铁电性能,如高介电常数、强介电非线性、不易疲劳、居里温度可调等特性,在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域具有广泛的应用前景。但是,当外加直流电场超过几十万V/cm以后,其漏电流密度上升几个数量级,并在2×106 V/cm左右发生击穿,从而限制了薄膜材料的最小厚度。

锆钛酸钡(BZT)是—种可能替代BST的材料,这是因为Zr4+比Ti2+的半径大(分别为0.087 nm和0.068 nm),当Zr4+取代ABOs钙钛矿结构B位的Ti2+时,可增大材料的晶格常数,并且Zr4+比Ti2+更稳定。与BST相比,BZT中Ti4+与Ti3+之间的电子跳跃引起的电导减小了。因此,BZT材料的研究越来越受到人们的高度关注。

烧结好的BZT陶瓷的SEM图

烧结好的BZT陶瓷的SEM图

锆钛酸钡陶瓷作为高介电材料,室温介电常数可以高达20000以上,是典型的MLCC高介瓷料的主要成份。其制备方法大致分为以下几种:固相法、溶胶凝胶法、微波烧结、机械合金化、低温烧结、水热合成法、共沉淀法等。

2、锆钛酸铅

锆钛酸铅是一种无机化合物,化学式为 Pb [ ZrxTi1−x] O3 (0≤x≤1)。也称为钛酸锆铅,它是一种白色至灰白色的陶瓷钙钛矿材料,显示出显着的压电效应,这意味着该化合物在施加电场时会改变形状。它用于许多实际应用,例如超声波换能器和压电谐振器。

钛酸铅锆最早于 1952 年左右在东京工业大学开发。与之前发现的基于金属氧化物的压电材料钛酸钡相比,钛酸铅具有更高的灵敏度和更高的工作温度。压电陶瓷因其物理强度、化学惰性和相对较低的制造成本而被选择用于应用。锆钛酸铅的相对介电常数可以在300到 20000的范围内,具体取决于取向和掺杂。

锆钛酸铅超声换能器

锆钛酸铅超声换能器

不过随着环境保护和可持续发展的需求增长,类似的含铅压电陶瓷被认为制作过程会对生态环境造成污染。比如说2001年欧州议会就已通过关于“关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令”的法令,要求投放欧盟市场的电器和电子产品不得有铅、汞、镉、6 价铬、聚溴二苯醚和聚溴联苯等有害物质。

3、锆酸锶

锆酸锶(SrZrO3)陶瓷具有钙钛矿型结构,主要原料为碳酸锶、二氧化锆,加入少量改性添加物,一般用于制造高频热稳定陶瓷电容器和高温陶瓷电容器。相对介电常数28~30,介质损耗角正切值4×10-6(0.5~5MC),介电常数温度系数为(15~25)×10-6/℃,击穿强度为15~25kV/mm,体积电阻率大于1012Ω·cm。

锆酸锶粉体

锆酸锶粉体

锆酸盐瓷的主要优点是高温介电性能比含钛陶瓷高,含钛的金红石瓷、钛酸镁瓷等通常只能在85℃下工作。工作温度太高且在直流电场作用下,含钛陶瓷容易发生电化学老化,即绝缘电阻逐渐减小,介质损耗逐渐增大,以致最后不能使用。锆酸盐瓷大部分能工作在155℃甚至更高温度下,而很少发生电化学老化。在锆酸盐化合物中,适宜于制造高频电容器的材料只有锆酸钙和锆酸锶两种。

 

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