鈦酸鋇陶瓷

自20世紀(jì)40年代年發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇陶瓷的壓電性以來，壓電陶瓷的發(fā)展已有60余年。壓電陶瓷作為一類重要的、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)極為激烈的功能材料，其應(yīng)用已遍及人類生產(chǎn)及生活的各個(gè)角落。然而，傳統(tǒng)的壓電陶瓷大多是含鉛陶瓷，其中氧化鉛（或四氧化三鉛）約占原料總質(zhì)量的70%左右，在制備、使用及廢棄處理過程中，都會(huì)給環(huán)境和人類帶來危害。從生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施來看，壓電陶瓷的無鉛化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BaTiO₃（BT）是最早發(fā)現(xiàn)的無鉛壓電陶瓷，也是最先獲得應(yīng)用的壓電陶瓷材料。

鈦酸鋇晶體有一般壓電材料的共有特性：當(dāng)它受壓力而改變形狀的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生電流，一通電又會(huì)改變形狀。于是，人們把鈦酸鋇放在超聲波中，它受壓便產(chǎn)生電流，由它所產(chǎn)生的電流的大小可以測(cè)知超聲波的強(qiáng)弱。相反，用高頻電流通過它，則可以產(chǎn)生超聲波?，F(xiàn)在，幾乎所有的超聲波儀器中，都要用到鈦酸鋇。除此之外，鈦酸鋇還有許多用途。例如：鐵路，工人把它放在鐵軌下面，來測(cè)量火車通過時(shí)候的壓力；醫(yī)生用它制成脈搏記錄器。用鈦酸鋇做的水底探測(cè)器，是銳利的水下眼睛，它不只能夠看到魚群，而且還可以看到水底下的暗礁、冰山和敵人的潛水艇等。 2100433B

鈦酸鋇陶瓷是以鈦酸鋇或其固溶體為主晶相的 陶瓷。具有ABO₃鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是典 型的鐵電材料，分子式為BaTiO₃。以 BaCO₃、TiO₂為主要原料預(yù)先合成后 經(jīng)1280～1400℃燒結(jié)而成?；蛞曰瘜W(xué) 法制備的高純超細(xì)鈦酸鋇粉料成型后 直接燒成。經(jīng)人工高壓極化具有壓電 性，其機(jī)電耦合系數(shù)（K_p） 0.36，品 質(zhì)因數(shù)（Q_m） 300，壓電常數(shù)d₃₁和d₃₃分別達(dá)-80×10^-12C/N和190× 10^-12C/N，居里溫度120℃，用于制作 壓電器件?？赏ㄟ^添加移峰劑或壓峰 劑進(jìn)行改性。利用強(qiáng)制還原法或施主 摻雜法可制備鈦酸鋇半導(dǎo)體陶瓷，用 于制造鐵電電容器、正溫度系數(shù) （PTC）熱敏元件、表面層電容器和各 種壓電器件。

作為著名的鐵電和壓電材料，BaTIO₃早在1942年就已經(jīng)為美、蘇學(xué)者所發(fā)現(xiàn)，是迄今為止研究得最為透徹的物質(zhì)之一，而以現(xiàn)代人的眼光來看，BaTIO₃基壓電陶瓷的優(yōu)異電性能和低污染性是其再次受到人們重視的重要因素，因此BaTIO₃也是目前制備無鉛壓電陶瓷的重要候選材料?，F(xiàn)階段對(duì)BaTIO3壓電陶瓷的研究主要集中在以BT為基的二元或多元陶瓷體系。

BaTiO₃屬于ABO₃型鈣欽礦結(jié)構(gòu)（如圖1所示），隨著溫度的變化，BaTIO₃經(jīng)歷以下的相變過程:立方順電相~120℃一四方相~5℃一正交相~一80℃一三方相。在室溫時(shí)，它有很強(qiáng)的壓電鐵電性，表現(xiàn)出較強(qiáng)的沿c軸自發(fā)極化的鐵電性，自發(fā)極化值為26×10^-12 C/cm²。當(dāng)溫度高于120℃時(shí)，BaTIO3晶體屬于立方晶系，壓電鐵電性能消失。

BaTIO₃陶瓷是研究與發(fā)展得相當(dāng)成熟的無鉛壓電陶瓷材料，其具有高的介電常數(shù)、較大的機(jī)電藕合系數(shù)和壓電常數(shù)，中等的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和較小的介電損耗。但其居里溫度較低（T_c=120℃），工作溫區(qū)狹窄，且在室溫附近存在相變，即BaTIO₃陶瓷在5℃附近，要發(fā)生鐵電四方相（4mm）到鐵電正交相（Zmm）的轉(zhuǎn)變，使用不方便，不能用于大功率的換能器。同時(shí)該陶瓷壓電性能的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性欠佳，燒結(jié)困難（燒結(jié)一般在1300℃一1350℃），難以通過摻雜改性大幅度提高其性能來滿足不同的需要