追溯压电材料的发展史,要从世纪前锡兰和印度土著人注意到电气石的特殊性质开始,他们发现当电气石投入热的灰烬当中时,这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几分钟之后排斥掉它们。到1880年,居里兄弟发现石英也具有压电性。但1940年以前,压电材料仅局限于石英和电气石等一些单晶材料,由于单晶体存在诸多缺点(如易溶于水等),未能得到广泛的应用。1947年美国的Roberts发现了钛酸钡(BaTiO3)的压电性,使得多晶材料得到发展,并迅速得到应用。其获得压电性所需的极性可以通过暂时施加电场的方法,从一块各项同性的多晶陶瓷得到。钛酸钡陶瓷的发现是压电材料发展的一个飞跃。至此,压电材料形成了两大类:压电单晶材料及压电陶瓷材料。1954年美国B.贾非等人发现了PbZrO3-PbTiO3(PZT)固溶体系统,这是一个划时代的大事,它使在BaTiO3时代不能制作的器件成为可能。PZT压电陶瓷具有BaTiO3压电陶瓷不可媲美的压电性,它的出现,大大地扩展了压电陶瓷的应用领域。目前,性能优良的PZT已经被用来制造多种压电器件。1965年,日本在PZT的基础上研制成的三元系压电陶瓷材料PCM比PZT具有更为优越的性能。在PCM问世以后,以不同化合物为第三成分及第四成分的三元系、四元系压电陶瓷材料陆续出现。
目前常用的压电陶瓷材料有两大类,一是PbZrO3-PbTiO3二元系固溶体(简称PZT)及其改性固溶体,二是复合钙钛矿铁电体与PZT构成的PbZrO3-PbTiO3-ABO3三元/多元系固溶体。
对PZT改性的主要手段是在化学组成上作适当的变化。如添加含Bi3+、La3+、Nb3+、W6+高价离子的氧化物,将使材料的介电常数、介电损耗、体电阻率和弹性柔顺常数增大,机械品质因数降低,具有这类添加物的PZT压电陶瓷,通常称为“软性材料”,主要用于超声换能器的接收元件以及电声器件中,如日本商品牌号PZT-5A、PZT-5H、PZT-51等;如添加含K1+、Mg2+、Se3+、Fe3+低价离子的氧化物,将使材料的介电常数、介电损耗、体电阻率减小,机械品质因数和矫顽电场增大,使之难于极化或去极化,成为“硬性材料”,主要用于超声换能器的发射元件,如日本商品牌号PZT-8、PZT-81、PZT-41等。
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