中国粉体网讯  压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，实际上压电陶瓷是可以将机械能转化成电能（正压电效应）的“法器”，如压电陶瓷打火机；还可以将电能转化成机械能（逆压电效应），如口罩机上使用的超声波换能器压电陶瓷环。

压电陶瓷属于电子陶瓷的一个分支，在现代光机电产品中占有十分重要的地位。随着电子光机电技术的高速发展，压电陶瓷的应用领域正在迅速拓宽，对压电陶瓷元器件也提出了更高的要求。一些重要的领域迫切的需要高温稳定工作的电子设备，而这些电子设备的压电材料在高温环境下使用需要以下条件：

（1）应具有较高的居里温度；

（2）在较宽的温度范围内，材料的压电参数保持稳定，能保证正常工作。

目前，科学家都普遍致力于高居里温度、高性能的压电陶瓷材料的研究。

压电陶瓷材料为何要求高居里温度

所有的压电陶瓷材料都具有居里温度Tc，当低于居里温度时，压电陶瓷处于极化有序状态，表现出铁电相；当高于居里温度，压电陶瓷由铁电相转变为顺电相，陶瓷内部点偶极距杂乱无章，发生退极化。通常压电材料的晶体结构可以决定居里点的高低，但晶体结构并不是一成不变的，它会随着温度变化而改变。单一组元铁电体的居里温度由极化离子在某温度下自由能的高低状态来决定；铋层状结构化合物的居里温度则会受到A位离子的半径和电负性、被取代的Bi含量以及层数m等的影响。

高温压电陶瓷材料有哪些？

高温压电陶瓷从晶体结构上可分为钙钛矿型、铋层状型、钨青铜型和碱金属铌酸盐型。

1、钙钛矿型高温压电陶瓷

目前，钙钛矿结构材料已经成为材料科学领域研究热点，钙钛矿属于一种复合金属氧化物，其晶体结构为立方晶系。

钙钛矿结构

早在1942年美国、日本等国已经发现一种特殊的钙钛矿结构晶体——钛酸钡（BaTiO₃）,该晶体被称为电子陶瓷产业的支柱，被广泛应用于多层陶瓷电容器、热敏电阻器和电光器件等领域。此外，钛酸钡陶瓷居里温度偏低，仅为120℃，然后其烧结温度却能达到1300℃。

钛酸铅（PT）是一种高居里温度钙钛矿结构铁电材料。纯的钛酸铅晶粒冷却过程中，晶体结构会从立方相转为四方相，但转变过程中产生的内应力容易导致陶瓷碎裂，难以极化，所以钛酸铅在制备中烧结较难。为解决这个难题，就不得不加入适量的改性添加剂来获得性能优良的压电陶瓷材料。

除了改性的PbTiO₃陶瓷，目前研究较为广泛的主要为锆钛酸铅（PZT）,作为一种极有发展前景的功能材料，通常被用来制作各种电子元器件，同时其还兼备制备工艺简单、原材料容易获得、价格低廉等优点。但因为其居里温度只有386℃，限制了PZT陶瓷在高温领域的应用。为此，研制出了一种新BSPT陶瓷。

BSPT体系和其他体系压电陶瓷性能比较

PZT、BSPT等常用的高温压电陶瓷均含有对人体和环境有害的铅，而不含铅元素的压电陶瓷材料的压电性能都一般比较低，它们无法完全替代PZT陶瓷，在人类社会可持续发展的要求下，无铅压电陶瓷将成为最终的发展方向。

2、铋层状结构压电陶瓷

铋层状结构压电陶瓷作为一种极具潜力的无铅高温压电陶瓷材料，近年来，铋层状结构陶瓷压电性能的提升研究逐渐成为热点。一般采用工艺改性和掺杂取代改性两种方法。相比PZT陶瓷来说，铋层状结构压电陶瓷常被制成压电器件应用于滤波器。能量转换及高温高频等领域。

3、钨青铜结构压电陶瓷

钨青铜结构压电陶瓷具有居里温度高、介电常数低、各向异性较大等特点，是一种很有前途的电光晶体材料，在全息存储、集成光学及光信号处理等领域具有广泛应用。

最早发现的钨青铜型铁电体材料是偏铌酸铅（PbNb₂O₆），其具有四方钨青铜结构，较高的居里温度（TC=570℃），低的品质因数Q_m，且在接近居里点时不易退极化，d₃₃/d₃₁值较大，纵向机电耦合系数远大于横向和平面机电耦合系数，因而特别适合用于制备耐高温的换能器。

4、碱金属铌酸盐压电陶瓷

20世纪40年代末，美国科学家首次合成出碱金属铌酸盐型化合物（ANbO₃），这类化合物具有优异的电学性能、可用于制备高频元器件，被公认为有望取代铅基材料的候选者。铌酸锂(LiNbO₃)是其中最具有代表性且应用最广泛的，其居里温度约为1210 ℃，具有良好的压电、铁电、光电、热电和非线性光学特性，可用来制各压电滤波器高温环境下的换能器等。但铌酸锂压电陶瓷中的Li元素在烧结过程中容易挥发，存在制备困难、烧结温度范围窄的特点。

再之后，无铅压电陶瓷(K，Na)NbO₅（简称KNN)被发现，该类压电陶瓷具有较低的介电常数、较高的居里温度和品质因数，但压电和机电耦合性能表现一般，可用于光电材料和高频换能器。

高温压电陶瓷材料的应用

高温压电陶瓷材料在新能源、核能、石油化工、地质勘探、航空航天、汽车工业以及国防等领域具有非常重要的应用。

航空航天领域：采用高温压电传感器对飞行发动机、机翼等部件进行温度、振动加速度以及叶片疲劳等进行实时监测。

汽车工业：通常选用高居里温度的高温压电阀应用在内燃机中。

石油勘探：往往需要采集温度、密度、压力及化学组成等数据，这就需要用到高温压电传感器。

国防领域：超高速飞行器也迫切需要具有耐高温、高压的压电驱动器与传感器。

目前，美国的 Endevco 公司和 PCB 公司、瑞士Vibro-Meter 公司和丹麦 B&K公司都能够生产出成熟的高温压电振动传感器，尤其是美国 Endevco公司，生产的航空发动机专用高温压电振动传感器已成为全世界航空发动机振动监控的标准，下图给出了该传感器的结构。

而大部分用于生产压电振动传感器的陶瓷材料主要为改性后的铋层状结构压电陶瓷材料，具有极高的研发应用潜力国内部分科研单位也对高温压电振动传感器开展了系统研究，并实现小批量生产，但与同外先进压电陶瓷材料相比仍什作一定差距，尤其在长时问温度稳定性，机载环境适应件等方面。

参考来源：

王丹钰：高温压电陶瓷材料的研究进展及应用

粉体网：浅析：高温压电陶瓷材料

（中国粉体网编辑整理/空青）

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