铁电陶瓷 201007031031 (1).doc

铁电陶瓷的性能及应用摘要：一直以来，材料的研究一直受到科学家的关注，关于材料的研究一直在深入。各种新材料层出不穷，比如功能材料、纳米材料、陶瓷材料、无机非金属新材料等等。本文主要从铁电陶瓷的基本原理，描述铁电陶瓷的性能，从而对于铁电陶瓷的应用进行研究，对未来前景进行展望。关键词：材料性能; 无机非金属; 性能； 应用； 铁电陶瓷引言 铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)，主晶相为铁电体的陶瓷材料。其电性能：高的抗电压强度和介电常数。低的老化率。在一定温度范围内(-55+85)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。常见的铁电陶瓷多属钙钛矿型结构，如钛酸钡陶瓷(BaTiO3)及其固溶体，也有钨青铜型、含铋层状化合物和烧绿石型等结构。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途。正文：铁电陶瓷材料，是指具有铁电效应(某些电介质可自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向的现象称铁电效应)的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。其电性能：高的抗电压强度和介电常数。在一定温度范围内(-55+85)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。铁电陶瓷具有电滞回线和居里温度。在居里温度点，晶体由铁电相转变为非铁电相，其电学、光学、弹性和热学等性质均出现反常现象，如介电常数出现极大值。1941年美国首先制成介电常数高达1100的钛酸钡铁电陶瓷。主要的铁电陶瓷系统有钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷,钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷，钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。铁电陶瓷的制造工艺大致相同。例如，钛酸钡系陶瓷用超纯、超细的等摩尔碳酸钡和二氧化钛原料混合均匀，在1150C左右预烧成钛酸钡。加入少量为改善工艺和电性能所需要的附加剂，如产生阳离子缺位的三价镧、三价铋或五价铌离子附加剂，产生氧离子空位的三价铁、三价钪或三价铝离子，置换钡离子使晶格畸变的二价锶离子以及生成液相、降低烧成温度的氧化镁或二氧化锰等附加剂。经过粉磨或其他方法充分混合，用干压、辊压或挤压等方法成型，再在1350C左右的氧化气氛中烧成。还可采用热压烧结，高温等静压烧结等方法，以提高产品的质量。(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3（简称PBZT）系陶瓷与Pb(Zr,Ti)O3(PZT)同属于ABO3型钙钛矿结构，具有较大的电致伸缩应变，在电子微位移动领域已得到广泛应用。弛豫型铁电体（relaxationferroelectrics，简称RF）是指顺电铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（*()=()()，为角频率）的实部()随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大()值对应的温度Tm随的增加而向高温移动。该特征与结构玻化转变、自旋玻璃（spinglass）化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性玻璃（polarglass），相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变。铌镁酸铅Pb(Mg1.3Nb2.3)O3(简称PMN)铁电陶瓷材料以很高的介电常数、相当大的电致伸缩效应、较低的容温变化率和几乎无滞后的特点，一直受到人们的关注，在多层陶瓷电容器、新型微位移器、执行器和机敏材料器件及新型电致伸缩器件等领域有着巨大的应用前景。铁电陶瓷的特性决定了它的用途。利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45F/cm2。利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可以制作红外探测器等。此外，还有一种透明铁电陶瓷，例如氧化铅（镧）、氧化锆（钛）系透明陶瓷,具有电光效应（即其电畴状态的变化,伴随有光学性质的改变）。通过外加电场对其电畴状态的控制、产生电控双折射、电控光散射、电诱相变和电控表面变形等特性。可用于制造光阀、光调制器、光存贮器、光显示器、光电传感器、光谱滤波器、激光防护镜和热电探测器等。西安交通大学开展了反铁电材料的研究和应用工作。研究了化学组份和不同外场对反铁电陶瓷相变性能的影响和变化规律，针对该类材料丰富的相变性能在不同应用领域开展工作，给出了性能优化途径，比如，利用压致相变制作大功率脉冲爆电电源7，利用场诱相变制作电压调节器等。结论目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。高性能的铁电陶瓷材料是一类具有广泛应用前景的功能材料，从目前的研究现状来看，对于具有高性能的铁电陶瓷材料的研究和开发应用仍然处于发展阶段。研究者们选用不同的铁电陶瓷材料进行研究，并不断探索制备工艺，只是到目前为止对于铁电陶瓷材料的一些性能的研究还没有达到令人满意的地步。比如，用于制备铁电复合材料的陶瓷粉体和聚合物的种类还很单一，对其复合界面的理论研究也刚刚开始，铁电记忆器件抗疲劳特性的研究还有待发展。总之，铁电陶瓷材料是一类具有广阔发展前景的重要功能材料，对于其特性的研究与应用还需要我们不断的探索，并给予足够的重视。参考文献：联邦德国H萨尔满H舒尔兹著,黄照柏译,陶瓷学(下册).陶瓷材料M.北京,轻工业出版社,2007,(2):61-65王栋,徐卓,冯玉军等.用于电压调节