一文了解无铅压电陶瓷
来源：ceradir特种陶瓷资讯
（一）什么是压电陶瓷
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，除具有优越的压电性能外，还具有介电性、弹性等，居里温度高，机电耦合系数及机械品质因数大，温度稳定性和耐久性好的优势，可以任意选择以便大量生产，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。
压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，来引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。
（二）发展无铅压电陶瓷的必要性
传统压电陶瓷虽然具有许多突出的优势性能，但是缺点是其主要成分氧化铅pbo（含量占60~70%以上）是一种容易挥发的有毒物质，烧结温度一般在1200℃以上，经常使得锆钛酸铅pzt陶瓷的化学计量发生偏差，性能难以稳定控制，这容易对环境造成污染，严重时危害人体及其他生物的健康。
发展无铅陶瓷的目的在于研究人员致力于获取既具有令人满意的使用性能同时兼具良好环境协调性的压电陶瓷，要求材料体系本身不含有可能对生态环境产生损害影响的物质，在制备、使用及废弃后的过程中不产生可能对环境有害的物质。
（三）无铅压电陶瓷的主要体系：
a.钛酸钡基无铅压电陶瓷
b.bnt基无铅压电陶瓷
c.铋层结构压电陶瓷
d.铌酸盐系无铅压电陶瓷
（四）无铅压电陶瓷的制备
1.晶粒定向技术
通过工艺控制，使原本无规则取向的陶瓷晶粒定向排列，使之达到具有接近单晶的性能。晶粒定向技术作为一种结构改性，与传统的掺杂改性相比，晶粒定向技术具有不改变陶瓷居里温度的优点。
目前研究最多的分别是热处理技术和模板晶粒生长技术。
2.放电等离子烧结（sns）技术
①sps技术简介
sps是一种新型的材料烧结技术。它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。
②sps技术在制备无铅压电陶瓷上的应用
对nkn系陶瓷，采用常规烧结方法容易造成na、k的损失，难以获得致密度高的材料。而sps技术具有升温速度快、烧结时间短的特点，烧结温度要比常规工艺的低（920℃）因此有利于控制烧结体的细微结构，可以得到致密度高、晶粒均匀、压电性能好的材料。
3.溶胶——凝胶技术
利用溶胶-凝胶法制备压电陶瓷越来越受到人们的关注。应用此方法，材料的各种组分可以实现原子级或分子级的均匀混合，因而可制得高度均匀致密并且具有高压电性能的材料。
（五）压电陶瓷的应用
①声音转换器
声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探测仪、声呐、超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。
压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。
②压电引爆器
自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆 炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆 炸药。
③压电打火机
现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。
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图1.压电陶瓷点火棒 via网络
④压电变压器
随着信息技术处理设备和通讯设备日益小型化的发展，电源设备小型化的需求越来越高，加上功能陶瓷材料的迅猛发展，压电变压器的应用范围越来越广。压电陶瓷之所以获得广泛的应用，是由于它具有尺寸小，结构简单，高温可靠等优点。目前压电变压器已用于电视机显像管、雷达显示管、静电复印机、离子发生器等设备中。