钪酸铋基高温压电材料的研究与进展/王媛玉等
・
27
・
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展。
王媛玉1’2,吴家刚1,吴
浪1,李
香1,冯
斌1,廖运文1,朱建国1,肖定全1
(1四川大学材料科学系,成都610064;2贵州大学材料科学与工程学院,贵阳550003)
钪酸铋基压电材料因其优异的性能及高的居里温度,近年来受到各国学者的极大关注。结合近年来有
关高温压电材料(居里温度t>400℃)的研究,归纳并分析了钪酸铋基高温压电材料的研究与进展,着重介绍了钪酸
摘要
铋基高温压电材料的主要体系和制备方法,以及这些体系的压电铁电性能;此外,还对钪酸铋基高温压电材料今后的
研究和发展提出了一些建议:
关键词
高温压电材料钪酸铋基单晶陶瓷薄膜
StudyandRecentProgressesof
HiglITemperatureBiSc03一based
PiezoelectricMaterials
Lan91,LIXian91,FENGBinl,
WANGYuanyul”,WUJiagan91,WU
LIAOYunwenl,ZHUJiangu01,XIAODingquanl
(1
2
DepartmentofMaterialsScience,SiehuanUniversity,Chengdu610064;
CollegeofMaterialsScienceandEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550003)
Abstract
始e
researchesofBiSc03-basedpiezoelectricmaterials
uses
are
very
importantbecauseoftheirexcellent
properties,especiallytheirhighCurietemperaturefortheinhightemperatures.Inthispaper,thehighCurietem—techniquesofthese
Out
perature(Tc>400℃)piezoelectricmaterialsandthe
recent
processing
materials
are
summarizedandthe
progresses
ofthese
are
materials
are
overviewed.Itis
pointedthatthehighCurietemperatureBiSc03一basedpie—
zoeleetricmaterials
beingwidelystudiedworldwidewithmostinterest.ThefuturedevelopmentsofBiSc03一based
alsosuggested.
piezoelectricmaterials
are
Keywords
highCurietemperaturepiezoelectric
materials,BiscCh-based,singlecrystal,ceramics,thin
film
0
引言
随着能源、航天航空、冶金、石油化工等许多工业对能在更
陶瓷的居里温度为490℃,且压电和介电性能均很优异,但是PT存在烧结困难、矫顽场大、难于极化等缺点。同时,以PZr为代
表的铅基压电陶瓷会对环境造成很大的污染,而人们对环境保护
高温度下工作的电子设备的需求,对高温压电材料和器件的研
究越来越迫切[1“]。
的意识也日益增强,因此近年来压电陶瓷材料的研究也开始向无铅压电陶瓷发展。铌酸盐系无铅压电陶瓷和各种铋层状结构均属于无铅压电陶瓷。铌酸盐系无铅压电陶瓷的居里温度一般都较高,在高温压电器件应用方面有着广阔的前景。但是由于烧结过程中Li的流动性,很难形成致密的陶瓷[3]。铋层状结构虽然具有居里温度高、机械品质因数较高和易烧结等优点,但该材料体系也存在压电活性低、矫顽场高等多方面的问题[5]。
BiScQ—PbTiQ(BSPT)体系是新近开发的重要的高温压电材料,因其具有高的居里温度、高介电常数以及高的压电性能,有望在高温领域有更广阔的应用前景,近年来成为国际国内研究的热点。本文结合近年来有关高温压电材料(Tc>400℃)的研究,归纳并分析了钪酸铋基高温压电材料的研究开发进展,着重介绍了钪酸铋基高温压电材料的主要体系、制备方法及其压
电铁电性能,同时对今后钪酸铋基材料的研究和发展提出了一
高温压电材料是指具有高的居里温度、低的损耗角正切值、
高的压电性能,能在高温温区(>400"C)使用的压电材料。这些
材料是高温压电器件的优选材料,也可以作为传统铅基压电材料在某些方面的替代品。因此高温压电材料,如铋层状压电陶
瓷‘5|、铌酸盐[i
s
7]、BiscOa[8~17]等体系已经得到极大的关注。
高温压电材料的研究体系主要有以Pb(ZkTi,一。)Q(z一0.52)为代表的铅基压电陶瓷、铌酸盐系无铅压电陶瓷、各种铋
层状结构及新近开发的Bi(Me)0。一PbTiQ(Me—Sc,In,Yb…)
体系。其中,以PzT为代表的铅基压电陶瓷是所有压电陶瓷中研究最成熟、应用最成功的压电陶瓷材料,已被广泛应用于制作各种电子元器件,如驱动器、微位移器等[3“]。在其准同型相界(MPB)处,PZT材料体系具有很好的压电性能,但其t一般小于400*(2,因此PZT陶瓷在高温领域的应用受到限制;PbTiOs压电
些建议。
*国家自然科学基金重大国际合作项目和面上项目(50410179;50572066);高等学校博士点基金项目(20030610035)
王媛玉:女,1982年生,硕士研究生,从事压电陶瓷材料与应用的研究肖定全:联系作者Tel:028—85412415E-mail:nit0402@
Sell
edu.CI'I
万方数据
・
28
・
材料导报
2007年1月第21卷第1期
1
B硒c03基压电材料的研究进展
1.2
BiSc03基陶瓷
虽然BiScQ基单晶压电材料具有许多优点,比如高的压电
1.1
BiSc03基晶体
系数、大的机电耦合系数等,但是昂贵的制备成本和复杂的制备早在2001年,RichardE.Eitel等[8]就利用传统陶瓷制备工
工艺是该材料在制备上难以逾越的瓶颈。因此在发展制备
艺发现了Bi(Me)03一PbTi03体系,其中Me为离子半径较大的
BiSc03基单晶压电材料体系的同时,展开了用传统陶瓷制备工阳离子。该体系居里温度高于PZT陶瓷,因而更适用于高温环艺制备BiScQ基陶瓷体系的研究。结合近年来关于BiSc03基境应用。并且,在0.36BiSc03-0.64PbTi03(BSPr64)存在一个陶瓷材料体系的参考文献,综合分析了NSd)3基陶瓷体系的发
准同型相界(MPB),在MPB附近,其压电和电机械性能得到了展历程以及在制备过程中的优缺点。
明显的提高。
如同单晶的制备思路一样,Bisc03基陶瓷体系也是通过改
随着对高温压电材料的迫切需要,加之BSPT材料具有高变BiSco。与PbTi03之间的成分比例和在BSPT中掺杂来调控
的居里温度和压电系数等优点,因此近年来受到众多科学家的BSPT陶瓷体系的性能。首先讨论了通过改变BiSc0。与Pb—关注。该体系主要分为陶瓷和单晶两大类。ShujunZhang等[9]
Ti03之问的成分比例来调控BSPT陶瓷体系的性能。Richard
E
在2001年最早介入BSPT+单晶制备,随后又在此基础上,通过Eitel等[13]利用传统固相合成法制备了BSPT陶瓷,并研究改变BiSc03与PbTiCh之间的成分比例和在BSPT中掺杂来调
了其相图。结果发现BSPT64附近存在MPB,并且在MPB处,控BSPT单晶体系的性能。2003年,他们又利用传统的高温熔
其三方到四方相变温度消失,使其更适于高温压电应用。经测
定,BSPT64的压电系数大于460pC/N,居里温度为450℃。
盐法制备了(001)取向的0.43BiSc03-0.57PbTi03单晶[1…,发
由于单一组分的BSPT难以达到实际的需要,因此BSPT
现该单晶具有高的居里温度(To一402℃),且其剩余极化强度
陶瓷的制备主要是通过掺杂改性来实现预期的目标。在掺杂改
较大(Pr=28uc/cm2),压电常数dss为200pC/N,K33为73%。
性中单元素的掺入和多组元的掺入成为BSPT陶瓷体系制备的同时,在调控成分比例时还发现BSPT63单晶存在一个单斜热点。虽然许多研究者开展了将多组元掺入到BSPT陶瓷体系相[1¨。在该相的附近,(100)方向的居里温度约为440℃,矫顽
中,但是普遍存在一个问题,即降低了BSPT体系的居里温度场约为20kV/ClTI,其介电常数为1400,压电系数为900pC/N,
(Tc<400℃),因而在此不加以讨论。
这些数据比三方相的高,但是比四方相单晶低。这对进一步研我们先探讨单一元素的掺入对BSPT陶瓷的影响。Shujun究BSPT材料体系提供了有利依据。
Zhang等[14]利用传统固相法合成了掺Mn的BSPT陶瓷,并研BS盯中掺杂来调控娜单晶体系性能的研究也在开展之
在对Bisc03和PbT酶进行成分比例调控的同时,通过在
究了该体系在400℃及400℃以上的应用。结果表明在MPB附
近(BS盯66一Mn),450℃时其电阻率和时间常数分别为3×107
中。利用传统的高温熔盐法,ShujunZhang等[1幻在Bisc03一
0・crfl和0.08s,而且其介电和压电性能在室温至448℃几乎
PbTi03的基础上添加BiGa03,合成了xBiScEh-yBiGa03一(1一z
未发生任何变化,在300℃下放置2天也未见明显的性能降低,--y)一PbTi03单晶,并研究了其性能。结果发现该体系的居里
因而适于作高温传感器。为了解决BSPT体系制备成本较高的
温度介于420~450℃之间,压电常数为300pC/N,K33为75%,
问题,LSterianou等[15]在2005年利用相同的制备工艺,在
剩余极化强度Pr为46扯C/CITl2,同时,线性电光系数r3。和m分
BSPT中掺人Fe元素,合成了(1一z)Bi(Scl/2Fel/2)03一xPbTi03别为36pM/V和4pM/V,接近LiNb03单晶。BiGa03的加入
(BSF-PT)体系,并研究了它的性能。结果发现当x>0.45时即
提高了单晶的剩余极化强度,同时也降低了单晶体的介电损耗。
可形成钙钛矿结构;在z一0.5处出现了MPB相。在MPB附
经过对近几年关于NSc03基单晶文献的整理和总结,发现近,其居里温度为440℃。材料的矾。和K。分别为300pC/N和
利用高温熔盐法可以制备出高质量的BSPT体系单晶材料,且0.50,比BS玎体系小,但是因其造价成本较低,具有一定的商
所得材料具有高的居里温度、压电系数和机电耦合系数。从材业开发价值。经过对近几年关于BiScos基陶瓷体系文献的整料的制备体系而言,从二元体系发展到三元体系,利用多元混合理和总结,发现利用传统陶瓷工艺也可以制备出高质量的效应来改善BSPT材料体系的性能有望实现商业化。但是,对BSPT体系陶瓷材料。虽然BSPT陶瓷体系的某些性能比单晶于制备BSPT单晶而言,制备周期以及成本是制约该材料体系材料有所降低(如压电性能),但是该方法造价成本低,具有大的商业化运用的关键问题。表1给出了几种有代表性的BSPT基商业开发价值。对材料制备技术体系而言,BSPT陶瓷体系的单晶材料体系及其性能的比较,从中可以了解BSPT基单晶材
研究已从二元发展到三元,同时利用单一和多组元元素的掺杂
料的性能。
改性,可以提高材料的某一方面的性质。表2给出了BSPT陶
瓷不同体系的性能比较。
表1
BSPT基单晶材料体系的性能比较
1.3
BiSc03基薄膜
蝴系曩羹苫未品赢氏噩‰tana
综上所述,BSPrr体系具有高的居里温度和良好的电学性
能。近年来,除了在BSPT体系单晶和陶瓷领域的研究以外,部分研究者已经开始对BSPT体系薄膜进行探索。早在2002年,
Takeshi
Yoshimura等[16]就利用脉冲激光沉积制备出了(001)
取向的(1--x)BiSc03一zPbTi03(z=0.5)薄膜,其居里温度达到
460℃,并且获得了好的铁电和压电性能。其e3。f压电系数为一9C/m2,该值可以与Pb(zr,Ti)03薄膜相比拟。近期,HalWen
万
方数据
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展/王媛玉等
等[173又利用溶胶一凝胶技术制备出了(100)取向的
ture,2004,432:84
2
・
29
・
0.34BiSc03—0.66PbTi03薄膜,该体系的居里温度达到435℃,
d。s为70pm/V,该值同样可以与(100)取向的PZT薄膜相比拟
TurnerRC,Fuierer
P
A,NewnhamRE,eta1.Appl
Acoust,1994,41(4):299
3
(参见表3)。BSPT体系薄膜具有好的铁电和介电性能,并具有取向可控、容易集成化等优点,因此,可以预计,BSPT体系薄膜
今后也将成为研究热点之一。
表2
BSPT陶瓷不同体系的性能比较
张福学,王丽坤.现代压电学(上,中,下).北京:科学出版社,2000
张沛霖,钟维烈,陈守六,等.压电材料与器件物理.青岛:山东科学技术出版社,1996
4
5
赁墩敏,肖定全,朱建国,等.功能材料,2003,34:491
IchikiM,ZhangL,TanakaM,eta1.J
2004,24:1693
Eur
枞系慧℃Tc未品彘K33¨an3
瑷瞅Mf埘陶瓷445臣啉Mp4]陶瓷468
BSFPT55E153陶瓷440
表3
Kp瓯
569
6CeramSoc,
B鲫64E13]陶瓷450
460390270
3220
7
WangRuiping,XieRongjun,SekiyaTadashi,eta1.JpnJ
ApplPhys,2002,41(11B):7119
22.5
30.5
69950%ig56%100
8
65%50%l%47.7%200
3.3949,《
EitelRichardE,RandallCliveA,ShroutThoIT.SR,etaL
298
JpnJApplPhys,2001,40(10):5999
9
ZhangShujun,LebrunLaurent,RheeSorah,eta1.JCrystGrowth,2002,236:210
B印T薄膜不同体系的性能比较
10
懈系取向篡T℃c刍品赢品cr伽
BSPT50[16](001)薄膜460BSPT66[17](100)薄膜
435
一70
一9
65220
3633
9001200
o.090.05
ZhangShujun,RandallCliveA,ShroutThomasRPhyS,2004,95(8):4291
JAppl
11
ZhangShujun,RandallCliveA,ShroutThomasRApplPhys,2004,43(9A):6199
JpnJ
12
ZhangShujun,JeongDY,ZhangQiming,eta1.JCrystGrowth,2003,247:131
2结语
13
EitelRichardE,ZhangShujun,ShroutThomasR,eta1.JApplPhya,2004,96(5):2828
因为具有高的居里温度、压电常数和机电耦合因子等优点,BiSc03体系近年来受到各国研究者的高度关注。BiSc03一Pb—TiQ体系目前仍然是高温压电材料研究的热点,但是随着对环境保护要求的迫切性的不断提高,无铅高温压电材料必将是未来研究的热点;同时材料的薄膜化也是该体系发展值得关注的问题。因此,在BiSc03体系研究中,尝试BiScOs基无铅高温压电陶瓷材料的制备、研究及其薄膜化,宜尽早予以重视。
参考文献
1
14
zhangShujun,EitelRichardE,RandallCliveA,eta1.Ap—PIPhysLett,2005,86:262904
15SterianouI,ReaneyIM,SinclairDC,etak
Lett,2005,87:242901
ApplPhys
16TakeshiYoshimura,SusanTrolier-McKinstry.ApplPhys
Lett,2002,81(11):2065
17
WellHai,WangXiaohui,DengXiangyun,etakApplPhys
Lett,2006,88:222904
(责任编辑海鹰)
吣产h妒毡沪吨沪吣P、op、妒p吣沪崎p、≯、妒吣p、p毡沪吨≯、pp毡沪吣≯、sp、§斗pq声pp毡phsp、9p吣芦。心—、9p、莘}毡’、sp、—、sp\pp毡pp吣—x吣)p吨)产吣)P峙声\p毡沪峙≯-
SaitoYasuyoshi,TakaoHisaaki,TaniToshihiko,etaL
Na—
欢迎订阅《纳米与新材料专辑》系列特刊
为了推动我国纳米材料和技术的发展,《材料导报>)2003年编辑出版了《纳米与新材料专辑》系列特刊,得到了各方面的好评。《纳米与新材料专辑》是在《材料导报》跟踪新材料发展的重点课题基础上,对一些热门课题更加深入的报道,内容涉及各种纳米材料及新材料的研究、产业化进展评述;研究成果、论文报道;应用市场分析;相关企业介绍等,反映了国内相关领域的最新研究成果。
《纳米与新材料专辑》将作为系列特刊每年5月和u月定期出版。《纳米与新材料专辑》定价:100元/册,港、澳、台地区订户每册加收邮寄费15元。欢迎订户直接向《材料导报》编辑部订购。
订阅册数
订阅每册100元(港、澳、台地区订户每册加收邮寄费15元),共——份,合计——元
汇款方式
口邮局汇款——口银行汇款~
联系人:封盛
——口汇款日期——
帐
号:150101040005856
地址:重庆市渝中区胜利路132号材料导报社邮编:400013电话:(023)63505701
开户银行:重庆市商业银行七星岗支行
户’名:重庆西信天元数据资讯有限公司(材料)
E-nmil:瑚t-rev@126.comll
万方数据
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展
作者:
王媛玉, 吴家刚, 吴浪, 李香, 冯斌, 廖运文, 朱建国, 肖定全, WANG Yuanyu,WU Jiagang, WU Lang, LI Xiang, FENG Bin, LIAO Yunwen, ZHU Jianguo, XIAO Dingquan
王媛玉,WANG Yuanyu(四川大学材料科学系,成都,610064;贵州大学材料科学与工程学院,贵阳,550003), 吴家刚,吴浪,李香,冯斌,廖运文,朱建国,肖定全,WU Jiagang,WU Lang,LIXiang,FENG Bin,LIAO Yunwen,ZHU Jianguo,XIAO Dingquan(四川大学材料科学系,成都,610064) 材料导报
MATERIALS REVIEW2007,21(1)
作者单位:
刊名:英文刊名:年,卷(期):
参考文献(17条)
1. 张沛霖;钟维烈;陈守六 压电材料与器件物理 19962. 张福学;王丽坤 现代压电学 2000
3. Turner R C;Fuierer P A;Newnham R E 查看详情 1994(04)4. Wen Hai;Wang Xiaohui;Deng Xiangyun 查看详情[外文期刊] 2006
5. Zhang Shujun;Lebrun Laurent;Rhee Sorah Crystal growth and characterization of new high Curietemperature (1-x)BiScO3-xPbTiO(3) single crystals[外文期刊] 2002(1/3)6. Eitel Richard E;Randall Clive A;Shrout Thomas R 查看详情[外文期刊] 2001(10)7. Wang Ruiping;Xie Rongjun;Sekiya Tadashi 查看详情[外文期刊] 2002(11B)8. Ichiki M;Zhang L;Tanaka M 查看详情 20049. 赁墩敏;肖定全;朱建国 查看详情 2003
10. Zhang Shujun;Eitel Richard E;Randall Clive A 查看详情[外文期刊] 2005
11. Eitel Richard E;Zhang Shujun;Shrout Thomas R Phase diagram of the perovskite system (1-x)BiScO3-xPbTiO(3)[外文期刊] 2004(05)
12. Zhang Shujun;Jeong D Y;Zhang Qiming Electromechanical and electro-optic properties of xBiScO_3-yBiGaO_3-(1-x-y)PbTiO_3 single crystals[外文期刊] 2003(1/2)
13. Zhang Shujun;Randall Clive A;Shrout Thomas R Characterization of perovskite piezoelectric singlecrystals of 0.43BiScO_(3)-0.57PbTiO_(3) with high Curie temperature[外文期刊] 2004(9A)
14. Zhang Shujun;Randall Clive A;Shrout Thomas R Characterization of perovskite piezoelectric singlecrystals of 0.43BiScO_(3)-0.57PbTiO_(3) with high Curie temperature[外文期刊] 2004(08)15. Saito Yasuyoshi;Takao Hisaaki;Tani Toshihiko 查看详情 2004
16. Takeshi Yoshimura;Susan Trolier-McKinstry Growth and properties of (001) BiScO_(3)-PbTiO_(3)epitaxial films[外文期刊] 2002(11)
17. Sterianou I;Reaney I M;Sinclair D C 查看详情[外文期刊] 2005
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cldb200701007.aspx
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展/王媛玉等
・
27
・
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展。
王媛玉1’2,吴家刚1,吴
浪1,李
香1,冯
斌1,廖运文1,朱建国1,肖定全1
(1四川大学材料科学系,成都610064;2贵州大学材料科学与工程学院,贵阳550003)
钪酸铋基压电材料因其优异的性能及高的居里温度,近年来受到各国学者的极大关注。结合近年来有
关高温压电材料(居里温度t>400℃)的研究,归纳并分析了钪酸铋基高温压电材料的研究与进展,着重介绍了钪酸
摘要
铋基高温压电材料的主要体系和制备方法,以及这些体系的压电铁电性能;此外,还对钪酸铋基高温压电材料今后的
研究和发展提出了一些建议:
关键词
高温压电材料钪酸铋基单晶陶瓷薄膜
StudyandRecentProgressesof
HiglITemperatureBiSc03一based
PiezoelectricMaterials
Lan91,LIXian91,FENGBinl,
WANGYuanyul”,WUJiagan91,WU
LIAOYunwenl,ZHUJiangu01,XIAODingquanl
(1
2
DepartmentofMaterialsScience,SiehuanUniversity,Chengdu610064;
CollegeofMaterialsScienceandEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550003)
Abstract
始e
researchesofBiSc03-basedpiezoelectricmaterials
uses
are
very
importantbecauseoftheirexcellent
properties,especiallytheirhighCurietemperaturefortheinhightemperatures.Inthispaper,thehighCurietem—techniquesofthese
Out
perature(Tc>400℃)piezoelectricmaterialsandthe
recent
processing
materials
are
summarizedandthe
progresses
ofthese
are
materials
are
overviewed.Itis
pointedthatthehighCurietemperatureBiSc03一basedpie—
zoeleetricmaterials
beingwidelystudiedworldwidewithmostinterest.ThefuturedevelopmentsofBiSc03一based
alsosuggested.
piezoelectricmaterials
are
Keywords
highCurietemperaturepiezoelectric
materials,BiscCh-based,singlecrystal,ceramics,thin
film
0
引言
随着能源、航天航空、冶金、石油化工等许多工业对能在更
陶瓷的居里温度为490℃,且压电和介电性能均很优异,但是PT存在烧结困难、矫顽场大、难于极化等缺点。同时,以PZr为代
表的铅基压电陶瓷会对环境造成很大的污染,而人们对环境保护
高温度下工作的电子设备的需求,对高温压电材料和器件的研
究越来越迫切[1“]。
的意识也日益增强,因此近年来压电陶瓷材料的研究也开始向无铅压电陶瓷发展。铌酸盐系无铅压电陶瓷和各种铋层状结构均属于无铅压电陶瓷。铌酸盐系无铅压电陶瓷的居里温度一般都较高,在高温压电器件应用方面有着广阔的前景。但是由于烧结过程中Li的流动性,很难形成致密的陶瓷[3]。铋层状结构虽然具有居里温度高、机械品质因数较高和易烧结等优点,但该材料体系也存在压电活性低、矫顽场高等多方面的问题[5]。
BiScQ—PbTiQ(BSPT)体系是新近开发的重要的高温压电材料,因其具有高的居里温度、高介电常数以及高的压电性能,有望在高温领域有更广阔的应用前景,近年来成为国际国内研究的热点。本文结合近年来有关高温压电材料(Tc>400℃)的研究,归纳并分析了钪酸铋基高温压电材料的研究开发进展,着重介绍了钪酸铋基高温压电材料的主要体系、制备方法及其压
电铁电性能,同时对今后钪酸铋基材料的研究和发展提出了一
高温压电材料是指具有高的居里温度、低的损耗角正切值、
高的压电性能,能在高温温区(>400"C)使用的压电材料。这些
材料是高温压电器件的优选材料,也可以作为传统铅基压电材料在某些方面的替代品。因此高温压电材料,如铋层状压电陶
瓷‘5|、铌酸盐[i
s
7]、BiscOa[8~17]等体系已经得到极大的关注。
高温压电材料的研究体系主要有以Pb(ZkTi,一。)Q(z一0.52)为代表的铅基压电陶瓷、铌酸盐系无铅压电陶瓷、各种铋
层状结构及新近开发的Bi(Me)0。一PbTiQ(Me—Sc,In,Yb…)
体系。其中,以PzT为代表的铅基压电陶瓷是所有压电陶瓷中研究最成熟、应用最成功的压电陶瓷材料,已被广泛应用于制作各种电子元器件,如驱动器、微位移器等[3“]。在其准同型相界(MPB)处,PZT材料体系具有很好的压电性能,但其t一般小于400*(2,因此PZT陶瓷在高温领域的应用受到限制;PbTiOs压电
些建议。
*国家自然科学基金重大国际合作项目和面上项目(50410179;50572066);高等学校博士点基金项目(20030610035)
王媛玉:女,1982年生,硕士研究生,从事压电陶瓷材料与应用的研究肖定全:联系作者Tel:028—85412415E-mail:nit0402@
Sell
edu.CI'I
万方数据
・
28
・
材料导报
2007年1月第21卷第1期
1
B硒c03基压电材料的研究进展
1.2
BiSc03基陶瓷
虽然BiScQ基单晶压电材料具有许多优点,比如高的压电
1.1
BiSc03基晶体
系数、大的机电耦合系数等,但是昂贵的制备成本和复杂的制备早在2001年,RichardE.Eitel等[8]就利用传统陶瓷制备工
工艺是该材料在制备上难以逾越的瓶颈。因此在发展制备
艺发现了Bi(Me)03一PbTi03体系,其中Me为离子半径较大的
BiSc03基单晶压电材料体系的同时,展开了用传统陶瓷制备工阳离子。该体系居里温度高于PZT陶瓷,因而更适用于高温环艺制备BiScQ基陶瓷体系的研究。结合近年来关于BiSc03基境应用。并且,在0.36BiSc03-0.64PbTi03(BSPr64)存在一个陶瓷材料体系的参考文献,综合分析了NSd)3基陶瓷体系的发
准同型相界(MPB),在MPB附近,其压电和电机械性能得到了展历程以及在制备过程中的优缺点。
明显的提高。
如同单晶的制备思路一样,Bisc03基陶瓷体系也是通过改
随着对高温压电材料的迫切需要,加之BSPT材料具有高变BiSco。与PbTi03之间的成分比例和在BSPT中掺杂来调控
的居里温度和压电系数等优点,因此近年来受到众多科学家的BSPT陶瓷体系的性能。首先讨论了通过改变BiSc0。与Pb—关注。该体系主要分为陶瓷和单晶两大类。ShujunZhang等[9]
Ti03之问的成分比例来调控BSPT陶瓷体系的性能。Richard
E
在2001年最早介入BSPT+单晶制备,随后又在此基础上,通过Eitel等[13]利用传统固相合成法制备了BSPT陶瓷,并研究改变BiSc03与PbTiCh之间的成分比例和在BSPT中掺杂来调
了其相图。结果发现BSPT64附近存在MPB,并且在MPB处,控BSPT单晶体系的性能。2003年,他们又利用传统的高温熔
其三方到四方相变温度消失,使其更适于高温压电应用。经测
定,BSPT64的压电系数大于460pC/N,居里温度为450℃。
盐法制备了(001)取向的0.43BiSc03-0.57PbTi03单晶[1…,发
由于单一组分的BSPT难以达到实际的需要,因此BSPT
现该单晶具有高的居里温度(To一402℃),且其剩余极化强度
陶瓷的制备主要是通过掺杂改性来实现预期的目标。在掺杂改
较大(Pr=28uc/cm2),压电常数dss为200pC/N,K33为73%。
性中单元素的掺入和多组元的掺入成为BSPT陶瓷体系制备的同时,在调控成分比例时还发现BSPT63单晶存在一个单斜热点。虽然许多研究者开展了将多组元掺入到BSPT陶瓷体系相[1¨。在该相的附近,(100)方向的居里温度约为440℃,矫顽
中,但是普遍存在一个问题,即降低了BSPT体系的居里温度场约为20kV/ClTI,其介电常数为1400,压电系数为900pC/N,
(Tc<400℃),因而在此不加以讨论。
这些数据比三方相的高,但是比四方相单晶低。这对进一步研我们先探讨单一元素的掺入对BSPT陶瓷的影响。Shujun究BSPT材料体系提供了有利依据。
Zhang等[14]利用传统固相法合成了掺Mn的BSPT陶瓷,并研BS盯中掺杂来调控娜单晶体系性能的研究也在开展之
在对Bisc03和PbT酶进行成分比例调控的同时,通过在
究了该体系在400℃及400℃以上的应用。结果表明在MPB附
近(BS盯66一Mn),450℃时其电阻率和时间常数分别为3×107
中。利用传统的高温熔盐法,ShujunZhang等[1幻在Bisc03一
0・crfl和0.08s,而且其介电和压电性能在室温至448℃几乎
PbTi03的基础上添加BiGa03,合成了xBiScEh-yBiGa03一(1一z
未发生任何变化,在300℃下放置2天也未见明显的性能降低,--y)一PbTi03单晶,并研究了其性能。结果发现该体系的居里
因而适于作高温传感器。为了解决BSPT体系制备成本较高的
温度介于420~450℃之间,压电常数为300pC/N,K33为75%,
问题,LSterianou等[15]在2005年利用相同的制备工艺,在
剩余极化强度Pr为46扯C/CITl2,同时,线性电光系数r3。和m分
BSPT中掺人Fe元素,合成了(1一z)Bi(Scl/2Fel/2)03一xPbTi03别为36pM/V和4pM/V,接近LiNb03单晶。BiGa03的加入
(BSF-PT)体系,并研究了它的性能。结果发现当x>0.45时即
提高了单晶的剩余极化强度,同时也降低了单晶体的介电损耗。
可形成钙钛矿结构;在z一0.5处出现了MPB相。在MPB附
经过对近几年关于NSc03基单晶文献的整理和总结,发现近,其居里温度为440℃。材料的矾。和K。分别为300pC/N和
利用高温熔盐法可以制备出高质量的BSPT体系单晶材料,且0.50,比BS玎体系小,但是因其造价成本较低,具有一定的商
所得材料具有高的居里温度、压电系数和机电耦合系数。从材业开发价值。经过对近几年关于BiScos基陶瓷体系文献的整料的制备体系而言,从二元体系发展到三元体系,利用多元混合理和总结,发现利用传统陶瓷工艺也可以制备出高质量的效应来改善BSPT材料体系的性能有望实现商业化。但是,对BSPT体系陶瓷材料。虽然BSPT陶瓷体系的某些性能比单晶于制备BSPT单晶而言,制备周期以及成本是制约该材料体系材料有所降低(如压电性能),但是该方法造价成本低,具有大的商业化运用的关键问题。表1给出了几种有代表性的BSPT基商业开发价值。对材料制备技术体系而言,BSPT陶瓷体系的单晶材料体系及其性能的比较,从中可以了解BSPT基单晶材
研究已从二元发展到三元,同时利用单一和多组元元素的掺杂
料的性能。
改性,可以提高材料的某一方面的性质。表2给出了BSPT陶
瓷不同体系的性能比较。
表1
BSPT基单晶材料体系的性能比较
1.3
BiSc03基薄膜
蝴系曩羹苫未品赢氏噩‰tana
综上所述,BSPrr体系具有高的居里温度和良好的电学性
能。近年来,除了在BSPT体系单晶和陶瓷领域的研究以外,部分研究者已经开始对BSPT体系薄膜进行探索。早在2002年,
Takeshi
Yoshimura等[16]就利用脉冲激光沉积制备出了(001)
取向的(1--x)BiSc03一zPbTi03(z=0.5)薄膜,其居里温度达到
460℃,并且获得了好的铁电和压电性能。其e3。f压电系数为一9C/m2,该值可以与Pb(zr,Ti)03薄膜相比拟。近期,HalWen
万
方数据
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展/王媛玉等
等[173又利用溶胶一凝胶技术制备出了(100)取向的
ture,2004,432:84
2
・
29
・
0.34BiSc03—0.66PbTi03薄膜,该体系的居里温度达到435℃,
d。s为70pm/V,该值同样可以与(100)取向的PZT薄膜相比拟
TurnerRC,Fuierer
P
A,NewnhamRE,eta1.Appl
Acoust,1994,41(4):299
3
(参见表3)。BSPT体系薄膜具有好的铁电和介电性能,并具有取向可控、容易集成化等优点,因此,可以预计,BSPT体系薄膜
今后也将成为研究热点之一。
表2
BSPT陶瓷不同体系的性能比较
张福学,王丽坤.现代压电学(上,中,下).北京:科学出版社,2000
张沛霖,钟维烈,陈守六,等.压电材料与器件物理.青岛:山东科学技术出版社,1996
4
5
赁墩敏,肖定全,朱建国,等.功能材料,2003,34:491
IchikiM,ZhangL,TanakaM,eta1.J
2004,24:1693
Eur
枞系慧℃Tc未品彘K33¨an3
瑷瞅Mf埘陶瓷445臣啉Mp4]陶瓷468
BSFPT55E153陶瓷440
表3
Kp瓯
569
6CeramSoc,
B鲫64E13]陶瓷450
460390270
3220
7
WangRuiping,XieRongjun,SekiyaTadashi,eta1.JpnJ
ApplPhys,2002,41(11B):7119
22.5
30.5
69950%ig56%100
8
65%50%l%47.7%200
3.3949,《
EitelRichardE,RandallCliveA,ShroutThoIT.SR,etaL
298
JpnJApplPhys,2001,40(10):5999
9
ZhangShujun,LebrunLaurent,RheeSorah,eta1.JCrystGrowth,2002,236:210
B印T薄膜不同体系的性能比较
10
懈系取向篡T℃c刍品赢品cr伽
BSPT50[16](001)薄膜460BSPT66[17](100)薄膜
435
一70
一9
65220
3633
9001200
o.090.05
ZhangShujun,RandallCliveA,ShroutThomasRPhyS,2004,95(8):4291
JAppl
11
ZhangShujun,RandallCliveA,ShroutThomasRApplPhys,2004,43(9A):6199
JpnJ
12
ZhangShujun,JeongDY,ZhangQiming,eta1.JCrystGrowth,2003,247:131
2结语
13
EitelRichardE,ZhangShujun,ShroutThomasR,eta1.JApplPhya,2004,96(5):2828
因为具有高的居里温度、压电常数和机电耦合因子等优点,BiSc03体系近年来受到各国研究者的高度关注。BiSc03一Pb—TiQ体系目前仍然是高温压电材料研究的热点,但是随着对环境保护要求的迫切性的不断提高,无铅高温压电材料必将是未来研究的热点;同时材料的薄膜化也是该体系发展值得关注的问题。因此,在BiSc03体系研究中,尝试BiScOs基无铅高温压电陶瓷材料的制备、研究及其薄膜化,宜尽早予以重视。
参考文献
1
14
zhangShujun,EitelRichardE,RandallCliveA,eta1.Ap—PIPhysLett,2005,86:262904
15SterianouI,ReaneyIM,SinclairDC,etak
Lett,2005,87:242901
ApplPhys
16TakeshiYoshimura,SusanTrolier-McKinstry.ApplPhys
Lett,2002,81(11):2065
17
WellHai,WangXiaohui,DengXiangyun,etakApplPhys
Lett,2006,88:222904
(责任编辑海鹰)
吣产h妒毡沪吨沪吣P、op、妒p吣沪崎p、≯、妒吣p、p毡沪吨≯、pp毡沪吣≯、sp、§斗pq声pp毡phsp、9p吣芦。心—、9p、莘}毡’、sp、—、sp\pp毡pp吣—x吣)p吨)产吣)P峙声\p毡沪峙≯-
SaitoYasuyoshi,TakaoHisaaki,TaniToshihiko,etaL
Na—
欢迎订阅《纳米与新材料专辑》系列特刊
为了推动我国纳米材料和技术的发展,《材料导报>)2003年编辑出版了《纳米与新材料专辑》系列特刊,得到了各方面的好评。《纳米与新材料专辑》是在《材料导报》跟踪新材料发展的重点课题基础上,对一些热门课题更加深入的报道,内容涉及各种纳米材料及新材料的研究、产业化进展评述;研究成果、论文报道;应用市场分析;相关企业介绍等,反映了国内相关领域的最新研究成果。
《纳米与新材料专辑》将作为系列特刊每年5月和u月定期出版。《纳米与新材料专辑》定价:100元/册,港、澳、台地区订户每册加收邮寄费15元。欢迎订户直接向《材料导报》编辑部订购。
订阅册数
订阅每册100元(港、澳、台地区订户每册加收邮寄费15元),共——份,合计——元
汇款方式
口邮局汇款——口银行汇款~
联系人:封盛
——口汇款日期——
帐
号:150101040005856
地址:重庆市渝中区胜利路132号材料导报社邮编:400013电话:(023)63505701
开户银行:重庆市商业银行七星岗支行
户’名:重庆西信天元数据资讯有限公司(材料)
E-nmil:瑚t-rev@126.comll
万方数据
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展
作者:
王媛玉, 吴家刚, 吴浪, 李香, 冯斌, 廖运文, 朱建国, 肖定全, WANG Yuanyu,WU Jiagang, WU Lang, LI Xiang, FENG Bin, LIAO Yunwen, ZHU Jianguo, XIAO Dingquan
王媛玉,WANG Yuanyu(四川大学材料科学系,成都,610064;贵州大学材料科学与工程学院,贵阳,550003), 吴家刚,吴浪,李香,冯斌,廖运文,朱建国,肖定全,WU Jiagang,WU Lang,LIXiang,FENG Bin,LIAO Yunwen,ZHU Jianguo,XIAO Dingquan(四川大学材料科学系,成都,610064) 材料导报
MATERIALS REVIEW2007,21(1)
作者单位:
刊名:英文刊名:年,卷(期):
参考文献(17条)
1. 张沛霖;钟维烈;陈守六 压电材料与器件物理 19962. 张福学;王丽坤 现代压电学 2000
3. Turner R C;Fuierer P A;Newnham R E 查看详情 1994(04)4. Wen Hai;Wang Xiaohui;Deng Xiangyun 查看详情[外文期刊] 2006
5. Zhang Shujun;Lebrun Laurent;Rhee Sorah Crystal growth and characterization of new high Curietemperature (1-x)BiScO3-xPbTiO(3) single crystals[外文期刊] 2002(1/3)6. Eitel Richard E;Randall Clive A;Shrout Thomas R 查看详情[外文期刊] 2001(10)7. Wang Ruiping;Xie Rongjun;Sekiya Tadashi 查看详情[外文期刊] 2002(11B)8. Ichiki M;Zhang L;Tanaka M 查看详情 20049. 赁墩敏;肖定全;朱建国 查看详情 2003
10. Zhang Shujun;Eitel Richard E;Randall Clive A 查看详情[外文期刊] 2005
11. Eitel Richard E;Zhang Shujun;Shrout Thomas R Phase diagram of the perovskite system (1-x)BiScO3-xPbTiO(3)[外文期刊] 2004(05)
12. Zhang Shujun;Jeong D Y;Zhang Qiming Electromechanical and electro-optic properties of xBiScO_3-yBiGaO_3-(1-x-y)PbTiO_3 single crystals[外文期刊] 2003(1/2)
13. Zhang Shujun;Randall Clive A;Shrout Thomas R Characterization of perovskite piezoelectric singlecrystals of 0.43BiScO_(3)-0.57PbTiO_(3) with high Curie temperature[外文期刊] 2004(9A)
14. Zhang Shujun;Randall Clive A;Shrout Thomas R Characterization of perovskite piezoelectric singlecrystals of 0.43BiScO_(3)-0.57PbTiO_(3) with high Curie temperature[外文期刊] 2004(08)15. Saito Yasuyoshi;Takao Hisaaki;Tani Toshihiko 查看详情 2004
16. Takeshi Yoshimura;Susan Trolier-McKinstry Growth and properties of (001) BiScO_(3)-PbTiO_(3)epitaxial films[外文期刊] 2002(11)
17. Sterianou I;Reaney I M;Sinclair D C 查看详情[外文期刊] 2005
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cldb200701007.aspx