晶粒尺寸对钙钛矿型压电陶瓷压电性能的影响

压电陶瓷是一类通过压电效应实现电能与机械能相互转化的重要功能陶瓷,广泛应用于信息传感、医疗健康、军工国防、航空航天等领域。至今,研究最多的压电材料是具有钙钛矿结构的压 电陶瓷,其通式为 ABO3。1946年,人们在钛酸钡(BaTiO3,BT)陶瓷上施加直流高压电场使其自发极化择优取向,显示出了压电性,标志着压电陶瓷走进历史舞台。随后,美国、日本等国家将 BT陶瓷应用于超声换能器、压力传感器、滤波器与谐振器等各种压电器件,压电材料及其应用取得了划时代的进展。1955年,美国Jaffe等发现了性能优越的锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3,PZT)陶 瓷,其在换能器、驱动器中迅速实现了商用化应用。时至今日,PZT压电陶瓷依然占据着压电应用的主要市场,其科学研究仍然被高度关注。

然而,由于PZT陶瓷中铅的易挥发性和高毒性、人们环保意识的增强及社会可持续发展的要求,各国纷纷制定法令法规限制PZT陶瓷在电子材料中的使用。欧盟RoHS 2.0版指令规定2021年欧盟市场将不再豁免部分铅基压电产品。近年来,随着对无铅压电陶瓷研究的投入,以铌酸钾钠 ((K,Na)NbO3,KNN),钛酸铋钠 (Na0.5Bi0.5TiO3, BNT),铁酸铋 (BiFeO3,BFO)为代表的新型无铅 压电陶瓷在性能上有了巨大突破,成为了有望替 代PZT的理想材料。Liu等利用晶格软化得到了兼具高压电系数(d33 >500pC/N) 和优异温度稳定性的KNN基无铅压电陶瓷。Liu和Tan利用化学改性的方法,成功将BNT基无铅压电陶瓷的逆压电系数 提升至1400pm/V,获得了超高的场致应变。时至今日,高性能无铅压电陶瓷应用在诸如大功率器件、多层致动器等方面所表现出的性能甚至优于PZT陶瓷。

压电陶瓷的介电、压电及铁电性能均会随着其晶粒尺寸的改变而改变,这种物理现象被称作压电陶瓷的晶粒尺寸效应。随着电子工业的需要和陶瓷制备技术的发展,压电器件呈现微型化、薄层化和高集成的发展趋势。压电陶瓷的晶粒尺寸效应也受到了越来越多的关注。在过去60年中,压电陶瓷的晶粒尺寸对介电性能的影响已经被广泛报道, 其中不乏系统全面的综述研究。而对压电陶瓷晶粒尺寸对压电性能影响的研究起步较晚。一些报道显示,晶粒尺寸对压电性能的影响与对介电性能的影响类似。然而,压电陶瓷需要极化才能显示出宏观压电性能。因此,相比于介电性能的晶粒尺寸效应,压电性能的晶粒尺寸效应会更加复杂。