高温无铅压电材料研究进展_吴超峰.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 1 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 0 3 2 0 0 5);中国国家电网股份有限公司资助项目(5 5 0 0-2 0 2 0 2 4 2 5 2 A-0-0-0 0)作者简介:吴超峰(1 9 9 1-),男,浙江省嘉兴市人,博士生,主要从事无铅压电陶瓷及器件的研究。通信作者:黎家就(1 9 9 5-),男,硕士生,主要从事压电陶瓷的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 7 2-1 0D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 5高温无铅压电材料研究进展吴超峰1,龚 文1,耿进锋2,崔建业3,秘立鹏4,聂京凯5,何 强5,黎家就6(1.浙江清华长三角研究院 先进陶瓷材料与器件研究中心,浙江 嘉兴3 1 4 0 0 6;2.国家电网河南电力科学研究院,河南 郑州4 5 0 0 5 2;3.国家电网浙江省电力有限公司金华供电公司,浙江 金华3 2 1 0 0 1;4.国家电网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 2 0;5.先进输电技术国家重点实验室(全球能源互联网研究院有限公司),北京1 0 2 2 0 9;6.佛山(华南)新材料研究院,广东 佛山5 2 8 0 0 0)摘 要:随着航空航天、石油化工等领域的快速发展以及可持续发展战略的实施,高温无铅压电材料的作用愈发重要。该文总结了具有高居里温度点无铅压电材料的研究进展,主要包括钙钛矿型的B i F e O3基和B i A l O3基陶瓷、铋层状陶瓷、钙钛矿层状结构陶瓷以及铌酸锂、硅酸镓镧和硼酸氧钙稀土等压电单晶。最后总结了目前高温无铅压电材料中存在的问题,并提出其发展方向。关键词:无铅;高温压电材料;研究进展中图分类号:TM 2 8 2;TN 3 8 4 文献标志码:A R e c e n tP r o g r e s so fH i g h-T e m p e r a t u r eL e a d-F r e eP i e z o e l e c t r i cM a t e r i a l sWUC h a o f e n g1,G O N G W e n1,G E N GJ i n f e n g2,C U IJ i a n y e3,M IL i p e n g4,N I EJ i n g k a i5,H EQ i a n g5,L IJ i a j i u6(1.R e s e a r c hC e n t e ro fA d v a n c e dC e r a m i cM a t e r i a l sa n dD e v i c e s,Y a n g t z eD e l t aR e g i o nI n s t i t u t eo fT s i n g h u aU n i v e r s i t y,J i a x i n g3 1 4 0 0 6,C h i n a;2.H e n a nE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,S t a t eG r i dC o r p o r a t i o no fC h i n a,Z h e n g z h o u4 5 0 0 5 2,C h i n a;3.J i n h u aP o w e rS u p p l yC o m p a n y,S t a t eG r i dZ h e j i a n gE l e c t r i cP o w e rC o.,L T D.,J i n h u a3 2 1 0 0 1,C h i n a;4.E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,S t a t eG r i dE a s t e r nI n n e rM o n g o l i aE l e c t r i cP o w e rC o.,L T D.,H o h h o t 0 1 0 0 2 0,C h i n a;5.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dT r a n s m i s s i o nT e c h n o l o g y,G l o b a lE n e r g yI n t e r n e tR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L T D.,B e i j i n g1 0 2 2 0 9,C h i n a;6.F o s h a n(S o u t hC h i n a)I n s t i t u t eo fA d v a n c e dM a t e r i a l s,F o s h a n5 2 8 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e,p e t r o c h e m i c a la n do t h e rf i e l d sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s t r a t e g i e s,t h er o l eo fh i g h-t e m p e r a t u r el e a d-f r e ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t.T h i sa r t i c l e s u mm a r i z e s t h e r e s e a r c hp r o g r e s so f l e a d-f r e ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sw i t hh i g hC u-r i e t e m p e r a t u r ep o i n t s,m a i n l yi n c l u d i n gp e r o v s k i t eB i F e O3-b a s e da n dB i A l O3-b a s e dc e r a m i c s,b i s m u t hl a y e r e dc e-r a m i c s,p e r o v s k i t el a y e r e ds t r u c t u r e dc e r a m i c s,L i N b O3,l a n g a s i t e(L G S)a n dr a r ee a r t hc a l c i u mo x y b o r a t e(R e-C O B)s i n g l ec r y s t a l s.F i n a l l y,t h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h eh i g h-t e m p e r a t u r el e a d-f r e ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sa r es u mm a r i z e d,a n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n i sp r o p o s e d.K e yw o r d s:l e a df r e e;h i g ht e m p e r a t u r ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s;r e s e a r c hp r o g r e s s 0 引言近年来,随着航天航空、石油化工、核能发电、地质勘探、汽车制造等产业的迅猛发展,对压电元件的使用温度的要求越来越高1。目前商业化应用的压电材料以钙钛矿结构的锆钛酸铅(P Z T)和钨青铜结构的偏铌酸铅(P N)等体系为主。压电材料的压电性能会随着环境温度的升高而出现退极化现象,因此,一般定义压电材料的安全使用温度为居里温度(TC)的1/2。P Z T的压电常数较大(4 0 0p C/N),但TC5 0 0)的无铅压电材料成为必然选择之一。1 高温无铅压电陶瓷的应用目前高温无铅压电材料主要包括钙钛矿结构的B i F e O3和B i A l O3陶瓷、铋层状结构铁电体(简 称B L S F)陶瓷、钙钛矿层状结构(简称P L S)和铌酸锂、硅酸镓镧(L G S)和硼酸氧钙稀土(R e C O B)压电单晶等。图1为不同结构的压电陶瓷以及不同压电单晶的压电常数与居里温度间的关系。对于压电陶瓷或压电单晶,宏观上都表现出随着居里温度的升高,压电常数呈下降的趋势。图1 不同压电材料的压电常数与居里温度之间的关系高温压电材料的应用可分为两类。一类为利用正压电效应将机械能转换成电信号,主要有高温加速度计。高温加速度计主要由质量块、敏感元件、支架、螺杆等组成,如图2所示。根据结构,高温加速度计可分为中心压缩式和剪切式两类,其可用于航空发动机、高超发动机及飞机燃气涡轮机等动力设备的压制和实验。表1展示了国内外高温加速度计的部分生产厂家,国外主要厂家有E n d e v c o、M e g g i tHT及D y t r a n,其生产的高温压电加速度计最高连续使用温度可达到6 5 0。近几年,国内部分公司开始研究高温加速度计,如D ONGHUA、N i e l l及S I NO C E R A等,但可量产的高温压电加速度计最高连续使用温度难以达到6 5 0,与国外还有一定差距。目前国内高温加速度计与国外的差距主要体现在核心零部件 压电材料。图2 高温加速度传感器结构图表1 高温加速度传感器生产厂家厂家型号温度*/国外E n d e v c oD y t r a nM e g g i tHTV i b r o-M e t e rB&KW i l c o x o nP C B6 2 4 3M 1/M 26 5 06 2 3 3C4 8 23 0 8 5 C3 1 66 2 3 3 C-1 0 04 8 2C A 3 0 6、C A 1 3 45 0 08 3 4 7-C4 8 23 7 62 6 03 5 7 M 1 6 86 4 93 5 7 A 6 34 8 2国内D ON GHUA1 A 6 2 34 8 2N i e l lC AY D 0 5 4-5 04 8 2S I N O C E R AC A-Y D-1 1 12 5 0F A T R IAY D C 0 6-1 0 14 8 2 *M a x i m u mc o n t i n u o u so p e r a t i n gt e m p e r a t u r e高温压电材料的另一类应用是利用逆压电效应将电信号转换为机械能。P a r k s等5利用压电单晶作为压电元件制备了高温超声换能器,其主要由弹簧、波导、压电元件及柱塞等组成,如图3所示。上述高温换能器在2 59 0 0做脉冲-回声响应测试,保持了很好的温度稳定性。高温压电材料制作的驱动器是高温超声波钻探器的动力元件,而钻探器对火星探测器完成软着陆地质勘查与样本采集具有重37 第1期吴超峰等:高温无铅压电材料