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實現電能與機械能相互轉化的重要功能陶瓷,廣泛應用于信息傳感、醫療健康、軍工國防、航空航天等領域。至今,研究最多的壓電材料是具有鈣鈦礦結構的壓 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極化擇優取向,顯示出了壓電性,標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,壓電材料及其應用取得了劃時代的進展。1955年,美國Jaffe等發現了性能優越的鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3,PZT)陶 瓷,其在換能器、驅動器中迅速實現了商用化應用。時至今日,PZT壓電陶瓷依然占據著壓電應用的主要市場,其科學研究仍然被高度關注。

然而,由于PZT陶瓷中鉛的易揮發性和高毒性、人們環保意識的增強及社會可持續發展的要求,各國紛紛制定法令法規限制PZT陶瓷在電子材料中的使用。歐盟RoHS 2.0版指令規定2021年歐盟市場將不再豁免部分鉛基壓電產品。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(d33 >500pC/N) 和優異溫度穩定性的KNN基無鉛壓電陶瓷。Liu和Tan利用化學改性的方法,成功將BNT基無鉛壓電陶瓷的逆壓電系數 提升至1400pm/V,獲得了超高的場致應變。時至今日,高性能無鉛壓電陶瓷應用在諸如大功率器件、多層致動器等方面所表現出的性能甚至優于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,這種物理現象被稱作壓電陶瓷的晶粒尺寸效應。隨著電子工業的需要和陶瓷制備技術的發展,壓電器件呈現微型化、薄層化和高集成的發展趨勢。壓電陶瓷的晶粒尺寸效應也受到了越來越多的關注。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被廣泛報道, 其中不乏系統全面的綜述研究。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,壓電性能的晶粒尺寸效應會更加復雜。