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高温压电陶瓷：材料科学的新突破与应用前景

发布时间:

2025-12-04

当电压作用于压电陶瓷片时，随着电压和频率的变化，会产生机械变形。另一方面，当压电陶瓷振动时，将产生电荷。利用这一原理，当电信号被施加到由两个压电陶瓷片或一个压电陶瓷和一个金属片组成的振动器时，这被称为双压电晶片元件，超声波将由于弯曲振动而发射。相反，当超声振动施加到双压电晶片元件时，将产生电信号。基于上述功能，压电陶瓷可以用作超声波传感器。

压电陶瓷概述

压电陶瓷，这种多晶体材料，不仅具备压电效应，还能实现 机械能与电能的相互转化。当其受到外力作用时，能将机械能高效转化为电能，这种特性使得压电陶瓷在诸如压电陶瓷打火机等应用中大放异彩。同时，它也能将电能逆转化为机械能，如超声波换能器中的压电陶瓷环，在口罩机上发挥着至关重要的作用。

压电陶瓷，作为电子陶瓷的重要分支，在现代光机电领域中占据着举足轻重的地位。随着电子光机电技术的迅猛发展，压电陶瓷的应用范围正日益广泛，同时也对压电陶瓷元器件提出了更为严苛的挑战。特别是在高温环境下工作的电子设备，对压电材料的要求尤为严格，主要表现在以下两个方面：首先，材料应具备较高的 居里温度，以确保在高温环境下能够保持稳定的压电性能。其次，材料需要在较宽的温度范围内维持其压电参数的稳定性，从而保障设备的正常工作。

高温环境下的挑战

目前，科研人员正致力于开发高居里温度、高性能的压电陶瓷材料，以满足不断增长的高温应用需求。同时，我们也需深入了解压电陶瓷材料的居里温度特性及其影响因素，以进一步提升材料的性能。

高温压电陶瓷的发展

▣ 1.钙钛矿型高温压电陶瓷

当前，钙钛矿结构材料正成为材料科学研究的焦点。这种复合金属氧化物以其 独特的立方晶系晶体结构吸引着科研人员的目光。

早在1942年，美国和日本等国家就已发现了钛酸钡（BaTiO3）这种具有特殊钙钛矿结构的晶体。值得注意的是，尽管钛酸钡陶瓷的居里温度仅为120℃，远低于其烧结温度1300℃，这一特性使得它在陶瓷领域具有独特的地位。

另一方面，钛酸铅（PT）作为一种高居里温度钙钛矿结构铁电材料，在纯晶粒的冷却过程中，其晶体结构会经历从立方相到四方相的转变。然而，这一转变过程中产生的内应力往往导致陶瓷碎裂，从而影响极化，使得钛酸铅的制备烧结变得困难。为了克服这一难题，通常需要加入适量的改性添加剂，以获得性能出色的压电陶瓷材料。

目前，锆钛酸铅（PZT）陶瓷备受广泛研究，被誉为极具发展潜力的功能材料。它常被用于制作各类电子元器件，且以其简单的制备工艺、易得的原材料以及低廉的价格著称。然而，其居里温度仅为386℃，这一限制 使得PZT陶瓷在高温环境下的应用受到制约。为了突破这一局限，科学家们成功研制出新型BSPT陶瓷。相较其他压电陶瓷，BSPT陶瓷的优势在于其不含铅，这是追求环保的一个重要步骤。

▣ 2.铋层状结构压电陶瓷

该结构材料具备出色的压电性能，适合制造多种电子元件。铋层状结构压电陶瓷，作为一种环保且性能优异的高温压电陶瓷材料，近年来备受瞩目。其压电性能的提升，成为了众多研究者关注的焦点，主要采用工艺改性和掺杂取代改性两种途径来实现。相较于传统的PZT陶瓷，铋层状结构压电陶瓷在制造成压电器件方面表现出色，广泛应用于滤波器、能量转换以及高温高频等领域。

▣ 3.钨青铜结构压电陶瓷

钨青铜结构压电陶瓷，以其 高居里温度、低介电常数以及显著的各向异性，成为一种极具潜力的电光晶体材料。这种材料在全息存储、集成光学以及光信号处理等多个领域均发挥着重要作用。其中，偏铌酸铅是早期被发现的一种钨青铜型铁电体材料，该材料展现出四方钨青铜结构，拥有高达570℃的居里温度。

▣ 4.碱金属铌酸盐压电陶瓷

在20世纪40年代末，美国科学家成功合成了一种新型的碱金属铌酸盐型化合物，即ANbO3。这种化合物 不仅展现出卓越的电学性能，还适用于高频元器件的制备。因此，它被业界视为铅基材料的潜在替代品。其中，铌酸锂（LiNbO3）作为该类化合物中的一种，备受关注。

▣ 5.铌酸锂压电陶瓷

在众多碱金属铌酸盐型化合物中，铌酸锂（LiNbO3）以其卓越的电学性能和多样的应用场景脱颖而出。它不仅 具有高达1210℃的居里温度，还展现出压电、铁电、光电、热电以及非线性光学等多重特性。因此，铌酸锂被广泛应用于制作压电滤波器、高温环境下的换能器等关键元器件。然而，铌酸锂压电陶瓷的制备过程中，由于Li元素的易挥发性，常常面临制备困难和烧结温度范围较窄的挑战。

无铅压电陶瓷研究进展

近年来，无铅压电陶瓷的研发取得了显著进展。其中，以铋层状结构为代表的陶瓷材料备受瞩目。这类材料不仅具备优异的压电性能，还展现出高温稳定性，为环保型压电元器件的制造提供了新的选择。尽管其压电和机电耦合性能尚待进一步提升，但 已广泛应用于光电材料和高频换能器等领域。