晶粒尺寸對鈣鈦礦型壓電陶瓷壓電性能的影響

壓電陶瓷是一類通過壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)化的重要功能陶瓷,廣泛應(yīng)用于信息傳感、醫(yī)療健康、軍工國防、航空航天等領(lǐng)域。至今,研究最多的壓電材料是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓 電陶瓷,其通式為 ABO3。1946年,人們在鈦酸鋇(BaTiO3,BT)陶瓷上施加直流高壓電場使其自發(fā)極化擇優(yōu)取向,顯示出了壓電性,標(biāo)志著壓電陶瓷走進歷史舞臺。隨后,美國、日本等國家將 BT陶瓷應(yīng)用于超聲換能器、壓力傳感器、濾波器與諧振器等各種壓電器件,壓電材料及其應(yīng)用取得了劃時代的進展。1955年,美國Jaffe等發(fā)現(xiàn)了性能優(yōu)越的鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3,PZT)陶 瓷,其在換能器、驅(qū)動器中迅速實現(xiàn)了商用化應(yīng)用。時至今日,PZT壓電陶瓷依然占據(jù)著壓電應(yīng)用的主要市場,其科學(xué)研究仍然被高度關(guān)注。

然而,由于PZT陶瓷中鉛的易揮發(fā)性和高毒性、人們環(huán)保意識的增強及社會可持續(xù)發(fā)展的要求,各國紛紛制定法令法規(guī)限制PZT陶瓷在電子材料中的使用。歐盟RoHS 2.0版指令規(guī)定2021年歐盟市場將不再豁免部分鉛基壓電產(chǎn)品。近年來,隨著對無鉛壓電陶瓷研究的投入,以鈮酸鉀鈉 ((K,Na)NbO3,KNN),鈦酸鉍鈉 (Na0.5Bi0.5TiO3, BNT),鐵酸鉍 (BiFeO3,BFO)為代表的新型無鉛 壓電陶瓷在性能上有了巨大突破,成為了有望替 代PZT的理想材料。Liu等利用晶格軟化得到了兼具高壓電系數(shù)(d33 >500pC/N) 和優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的KNN基無鉛壓電陶瓷。Liu和Tan利用化學(xué)改性的方法,成功將BNT基無鉛壓電陶瓷的逆壓電系數(shù) 提升至1400pm/V,獲得了超高的場致應(yīng)變。時至今日,高性能無鉛壓電陶瓷應(yīng)用在諸如大功率器件、多層致動器等方面所表現(xiàn)出的性能甚至優(yōu)于PZT陶瓷。

壓電陶瓷的介電、壓電及鐵電性能均會隨著其晶粒尺寸的改變而改變,這種物理現(xiàn)象被稱作壓電陶瓷的晶粒尺寸效應(yīng)。隨著電子工業(yè)的需要和陶瓷制備技術(shù)的發(fā)展,壓電器件呈現(xiàn)微型化、薄層化和高集成的發(fā)展趨勢。壓電陶瓷的晶粒尺寸效應(yīng)也受到了越來越多的關(guān)注。在過去60年中,壓電陶瓷的晶粒尺寸對介電性能的影響已經(jīng)被廣泛報道, 其中不乏系統(tǒng)全面的綜述研究。而對壓電陶瓷晶粒尺寸對壓電性能影響的研究起步較晚。一些報道顯示,晶粒尺寸對壓電性能的影響與對介電性能的影響類似。然而,壓電陶瓷需要極化才能顯示出宏觀壓電性能。因此,相比于介電性能的晶粒尺寸效應(yīng),壓電性能的晶粒尺寸效應(yīng)會更加復(fù)雜。