钪酸铋基高温压电材料的研究与进展
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展／王媛玉等
・
２７
・
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展。
王媛玉１’２，吴家刚１，吴
浪１，李
香１，冯
斌１，廖运文１，朱建国１，肖定全１
（１四川大学材料科学系，成都６１００６４；２贵州大学材料科学与工程学院，贵阳５５０００３）
钪酸铋基压电材料因其优异的性能及高的居里温度，近年来受到各国学者的极大关注。结合近年来有
关高温压电材料（居里温度ｔ＞４００℃）的研究，归纳并分析了钪酸铋基高温压电材料的研究与进展，着重介绍了钪酸
摘要
铋基高温压电材料的主要体系和制备方法，以及这些体系的压电铁电性能；此外，还对钪酸铋基高温压电材料今后的
研究和发展提出了一些建议：
关键词
高温压电材料钪酸铋基单晶陶瓷薄膜
ＳｔｕｄｙａｎｄＲｅｃｅｎｔＰｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆ
ＨｉｇｌＩＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＢｉＳｃ０３一ｂａｓｅｄ
ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ
Ｌａｎ９１，ＬＩＸｉａｎ９１，ＦＥＮＧＢｉｎｌ，
ＷＡＮＧＹｕａｎｙｕｌ”，ＷＵＪｉａｇａｎ９１，ＷＵ
ＬＩＡＯＹｕｎｗｅｎｌ，ＺＨＵＪｉａｎｇｕ０１，ＸＩＡＯＤｉｎｇｑｕａｎｌ
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２
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ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆＢｉＳｃ０３－ｂａｓｅｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ
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ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｉｒｈｉｇｈＣｕｒｉｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｈｉｇｈＣｕｒｉｅｔｅｍ—ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｔｈｅｓｅ
Ｏｕｔ
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ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＢｉｓｃＣｈ－ｂａｓｅｄ，ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌ，ｃｅｒａｍｉｃｓ，ｔｈｉｎ
ｆｉｌｍ
０
引言
随着能源、航天航空、冶金、石油化工等许多工业对能在更
陶瓷的居里温度为４９０℃，且压电和介电性能均很优异，但是ＰＴ存在烧结困难、矫顽场大、难于极化等缺点。同时，以ＰＺｒ为代
表的铅基压电陶瓷会对环境造成很大的污染，而人们对环境保护
高温度下工作的电子设备的需求，对高温压电材料和器件的研
究越来越迫切［１“］。
的意识也日益增强，因此近年来压电陶瓷材料的研究也开始向无铅压电陶瓷发展。铌酸盐系无铅压电陶瓷和各种铋层状结构均属于无铅压电陶瓷。铌酸盐系无铅压电陶瓷的居里温度一般都较高，在高温压电器件应用方面有着广阔的前景。但是由于烧结过程中Ｌｉ的流动性，很难形成致密的陶瓷［３］。铋层状结构虽然具有居里温度高、机械品质因数较高和易烧结等优点，但该材料体系也存在压电活性低、矫顽场高等多方面的问题［５］。
ＢｉＳｃＱ—ＰｂＴｉＱ（ＢＳＰＴ）体系是新近开发的重要的高温压电材料，因其具有高的居里温度、高介电常数以及高的压电性能，有望在高温领域有更广阔的应用前景，近年来成为国际国内研究的热点。本文结合近年来有关高温压电材料（Ｔｃ＞４００℃）的研究，归纳并分析了钪酸铋基高温压电材料的研究开发进展，着重介绍了钪酸铋基高温压电材料的主要体系、制备方法及其压
电铁电性能，同时对今后钪酸铋基材料的研究和发展提出了一
高温压电材料是指具有高的居里温度、低的损耗角正切值、
高的压电性能，能在高温温区（＞４００＂Ｃ）使用的压电材料。这些
材料是高温压电器件的优选材料，也可以作为传统铅基压电材料在某些方面的替代品。因此高温压电材料，如铋层状压电陶
瓷‘５｜、铌酸盐［ｉ
ｓ
７］、ＢｉｓｃＯａ［８～１７］等体系已经得到极大的关注。
高温压电材料的研究体系主要有以Ｐｂ（ＺｋＴｉ，一。）Ｑ（ｚ一０．５２）为代表的铅基压电陶瓷、铌酸盐系无铅压电陶瓷、各种铋
层状结构及新近开发的Ｂｉ（Ｍｅ）０。一ＰｂＴｉＱ（Ｍｅ—Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙｂ…）
体系。其中，以ＰｚＴ为代表的铅基压电陶瓷是所有压电陶瓷中研究最成熟、应用最成功的压电陶瓷材料，已被广泛应用于制作各种电子元器件，如驱动器、微位移器等［３“］。在其准同型相界（ＭＰＢ）处，ＰＺＴ材料体系具有很好的压电性能，但其ｔ一般小于４００＊（２，因此ＰＺＴ陶瓷在高温领域的应用受到限制；ＰｂＴｉＯｓ压电
些建议。
＊国家自然科学基金重大国际合作项目和面上项目（５０４１０１７９；５０５７２０６６）；高等学校博士点基金项目（２００３０６１００３５）
王媛玉：女，１９８２年生，硕士研究生，从事压电陶瓷材料与应用的研究肖定全：联系作者Ｔｅｌ：０２８—８５４１２４１５Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｉｔ０４０２＠
Ｓｅｌｌ
ｅｄｕ．ＣＩ＇Ｉ
万方数据
・
２８
・
材料导报
２００７年１月第２１卷第１期
１
Ｂ硒ｃ０３基压电材料的研究进展
１．２
ＢｉＳｃ０３基陶瓷
虽然ＢｉＳｃＱ基单晶压电材料具有许多优点，比如高的压电
１．１
ＢｉＳｃ０３基晶体
系数、大的机电耦合系数等，但是昂贵的制备成本和复杂的制备早在２００１年，ＲｉｃｈａｒｄＥ．Ｅｉｔｅｌ等［８］就利用传统陶瓷制备工
工艺是该材料在制备上难以逾越的瓶颈。因此在发展制备
艺发现了Ｂｉ（Ｍｅ）０３一ＰｂＴｉ０３体系，其中Ｍｅ为离子半径较大的
ＢｉＳｃ０３基单晶压电材料体系的同时，展开了用传统陶瓷制备工阳离子。该体系居里温度高于ＰＺＴ陶瓷，因而更适用于高温环艺制备ＢｉＳｃＱ基陶瓷体系的研究。结合近年来关于ＢｉＳｃ０３基境应用。并且，在０．３６ＢｉＳｃ０３－０．６４ＰｂＴｉ０３（ＢＳＰｒ６４）存在一个陶瓷材料体系的参考文献，综合分析了ＮＳｄ）３基陶瓷体系的发
准同型相界（ＭＰＢ），在ＭＰＢ附近，其压电和电机械性能得到了展历程以及在制备过程中的优缺点。
明显的提高。
如同单晶的制备思路一样，Ｂｉｓｃ０３基陶瓷体系也是通过改
随着对高温压电材料的迫切需要，加之ＢＳＰＴ材料具有高变ＢｉＳｃｏ。与ＰｂＴｉ０３之间的成分比例和在ＢＳＰＴ中掺杂来调控
的居里温度和压电系数等优点，因此近年来受到众多科学家的ＢＳＰＴ陶瓷体系的性能。首先讨论了通过改变ＢｉＳｃ０。与Ｐｂ—关注。该体系主要分为陶瓷和单晶两大类。ＳｈｕｊｕｎＺｈａｎｇ等［９］
Ｔｉ０３之问的成分比例来调控ＢＳＰＴ陶瓷体系的性能。Ｒｉｃｈａｒｄ
Ｅ
在２００１年最早介入ＢＳＰＴ＋单晶制备，随后又在此基础上，通过Ｅｉｔｅｌ等［１３］利用传统固相合成法制备了ＢＳＰＴ陶瓷，并研究改变ＢｉＳｃ０３与ＰｂＴｉＣｈ之间的成分比例和在ＢＳＰＴ中掺杂来调
了其相图。结果发现ＢＳＰＴ６４附近存在ＭＰＢ，并且在ＭＰＢ处，控ＢＳＰＴ单晶体系的性能。２００３年，他们又利用传统的高温熔
其三方到四方相变温度消失，使其更适于高温压电应用。经测
定，ＢＳＰＴ６４的压电系数大于４６０ｐＣ／Ｎ，居里温度为４５０℃。
盐法制备了（００１）取向的０．４３ＢｉＳｃ０３－０．５７ＰｂＴｉ０３单晶［１…，发
由于单一组分的ＢＳＰＴ难以达到实际的需要，因此ＢＳＰＴ
现该单晶具有高的居里温度（Ｔｏ一４０２℃），且其剩余极化强度
陶瓷的制备主要是通过掺杂改性来实现预期的目标。在掺杂改
较大（Ｐｒ＝２８ｕｃ／ｃｍ２），压电常数ｄｓｓ为２００ｐＣ／Ｎ，Ｋ３３为７３％。
性中单元素的掺入和多组元的掺入成为ＢＳＰＴ陶瓷体系制备的同时，在调控成分比例时还发现ＢＳＰＴ６３单晶存在一个单斜热点。虽然许多研究者开展了将多组元掺入到ＢＳＰＴ陶瓷体系相［１¨。在该相的附近，（１００）方向的居里温度约为４４０℃，矫顽
中，但是普遍存在一个问题，即降低了ＢＳＰＴ体系的居里温度场约为２０ｋＶ／ＣｌＴＩ，其介电常数为１４００，压电系数为９００ｐＣ／Ｎ，
（Ｔｃ＜４００℃），因而在此不加以讨论。
这些数据比三方相的高，但是比四方相单晶低。这对进一步研我们先探讨单一元素的掺入对ＢＳＰＴ陶瓷的影响。Ｓｈｕｊｕｎ究ＢＳＰＴ材料体系提供了有利依据。
Ｚｈａｎｇ等［１４］利用传统固相法合成了掺Ｍｎ的ＢＳＰＴ陶瓷，并研ＢＳ盯中掺杂来调控娜单晶体系性能的研究也在开展之
在对Ｂｉｓｃ０３和ＰｂＴ酶进行成分比例调控的同时，通过在
究了该体系在４００℃及４００℃以上的应用。结果表明在ＭＰＢ附
近（ＢＳ盯６６一Ｍｎ），４５０℃时其电阻率和时间常数分别为３×１０７
中。利用传统的高温熔盐法，ＳｈｕｊｕｎＺｈａｎｇ等［１幻在Ｂｉｓｃ０３一
０・ｃｒｆｌ和０．０８ｓ，而且其介电和压电性能在室温至４４８℃几乎
ＰｂＴｉ０３的基础上添加ＢｉＧａ０３，合成了ｘＢｉＳｃＥｈ－ｙＢｉＧａ０３一（１一ｚ
未发生任何变化，在３００℃下放置２天也未见明显的性能降低，－－ｙ）一ＰｂＴｉ０３单晶，并研究了其性能。结果发现该体系的居里
因而适于作高温传感器。为了解决ＢＳＰＴ体系制备成本较高的
温度介于４２０～４５０℃之间，压电常数为３００ｐＣ／Ｎ，Ｋ３３为７５％，
问题，ＬＳｔｅｒｉａｎｏｕ等［１５］在２００５年利用相同的制备工艺，在
剩余极化强度Ｐｒ为４６扯Ｃ／ＣＩＴｌ２，同时，线性电光系数ｒ３。和ｍ分
ＢＳＰＴ中掺人Ｆｅ元素，合成了（１一ｚ）Ｂｉ（Ｓｃｌ／２Ｆｅｌ／２）０３一ｘＰｂＴｉ０３别为３６ｐＭ／Ｖ和４ｐＭ／Ｖ，接近ＬｉＮｂ０３单晶。ＢｉＧａ０３的加入
（ＢＳＦ－ＰＴ）体系，并研究了它的性能。结果发现当ｘ＞０．４５时即
提高了单晶的剩余极化强度，同时也降低了单晶体的介电损耗。
可形成钙钛矿结构；在ｚ一０．５处出现了ＭＰＢ相。在ＭＰＢ附
经过对近几年关于ＮＳｃ０３基单晶文献的整理和总结，发现近，其居里温度为４４０℃。材料的矾。和Ｋ。分别为３００ｐＣ／Ｎ和
利用高温熔盐法可以制备出高质量的ＢＳＰＴ体系单晶材料，且０．５０，比ＢＳ玎体系小，但是因其造价成本较低，具有一定的商
所得材料具有高的居里温度、压电系数和机电耦合系数。从材业开发价值。经过对近几年关于ＢｉＳｃｏｓ基陶瓷体系文献的整料的制备体系而言，从二元体系发展到三元体系，利用多元混合理和总结，发现利用传统陶瓷工艺也可以制备出高质量的效应来改善ＢＳＰＴ材料体系的性能有望实现商业化。但是，对ＢＳＰＴ体系陶瓷材料。虽然ＢＳＰＴ陶瓷体系的某些性能比单晶于制备ＢＳＰＴ单晶而言，制备周期以及成本是制约该材料体系材料有所降低（如压电性能），但是该方法造价成本低，具有大的商业化运用的关键问题。表１给出了几种有代表性的ＢＳＰＴ基商业开发价值。对材料制备技术体系而言，ＢＳＰＴ陶瓷体系的单晶材料体系及其性能的比较，从中可以了解ＢＳＰＴ基单晶材
研究已从二元发展到三元，同时利用单一和多组元元素的掺杂
料的性能。
改性，可以提高材料的某一方面的性质。表２给出了ＢＳＰＴ陶
瓷不同体系的性能比较。
表１
ＢＳＰＴ基单晶材料体系的性能比较
１．３
ＢｉＳｃ０３基薄膜
蝴系曩羹苫未品赢氏噩‰ｔａｎａ
综上所述，ＢＳＰｒｒ体系具有高的居里温度和良好的电学性
能。近年来，除了在ＢＳＰＴ体系单晶和陶瓷领域的研究以外，部分研究者已经开始对ＢＳＰＴ体系薄膜进行探索。早在２００２年，
Ｔａｋｅｓｈｉ
Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ等［１６］就利用脉冲激光沉积制备出了（００１）
取向的（１－－ｘ）ＢｉＳｃ０３一ｚＰｂＴｉ０３（ｚ＝０．５）薄膜，其居里温度达到
４６０℃，并且获得了好的铁电和压电性能。其ｅ３。ｆ压电系数为一９Ｃ／ｍ２，该值可以与Ｐｂ（ｚｒ，Ｔｉ）０３薄膜相比拟。近期，ＨａｌＷｅｎ
万
方数据
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展／王媛玉等
等［１７３又利用溶胶一凝胶技术制备出了（１００）取向的
ｔｕｒｅ，２００４，４３２：８４
２
・
２９
・
０．３４ＢｉＳｃ０３—０．６６ＰｂＴｉ０３薄膜，该体系的居里温度达到４３５℃，
ｄ。ｓ为７０ｐｍ／Ｖ，该值同样可以与（１００）取向的ＰＺＴ薄膜相比拟
ＴｕｒｎｅｒＲＣ，Ｆｕｉｅｒｅｒ
Ｐ
Ａ，ＮｅｗｎｈａｍＲＥ，ｅｔａ１．Ａｐｐｌ
Ａｃｏｕｓｔ，１９９４，４１（４）：２９９
３
（参见表３）。ＢＳＰＴ体系薄膜具有好的铁电和介电性能，并具有取向可控、容易集成化等优点，因此，可以预计，ＢＳＰＴ体系薄膜
今后也将成为研究热点之一。
表２
ＢＳＰＴ陶瓷不同体系的性能比较
张福学，王丽坤．现代压电学（上，中，下）．北京：科学出版社，２０００
张沛霖，钟维烈，陈守六，等．压电材料与器件物理．青岛：山东科学技术出版社，１９９６
４
５
赁墩敏，肖定全，朱建国，等．功能材料，２００３，３４：４９１
ＩｃｈｉｋｉＭ，ＺｈａｎｇＬ，ＴａｎａｋａＭ，ｅｔａ１．Ｊ
２００４，２４：１６９３
Ｅｕｒ
枞系慧℃Ｔｃ未品彘Ｋ３３¨ａｎ３
瑷瞅Ｍｆ埘陶瓷４４５臣啉Ｍｐ４］陶瓷４６８
ＢＳＦＰＴ５５Ｅ１５３陶瓷４４０
表３
Ｋｐ瓯
５６９
６ＣｅｒａｍＳｏｃ，
Ｂ鲫６４Ｅ１３］陶瓷４５０
４６０３９０２７０
３２２０
７
ＷａｎｇＲｕｉｐｉｎｇ，ＸｉｅＲｏｎｇｊｕｎ，ＳｅｋｉｙａＴａｄａｓｈｉ，ｅｔａ１．ＪｐｎＪ
ＡｐｐｌＰｈｙｓ，２００２，４１（１１Ｂ）：７１１９
２２．５
３０．５
６９９５０％ｉｇ５６％１００
８
６５％５０％ｌ％４７．７％２００
３．３９４９，《
ＥｉｔｅｌＲｉｃｈａｒｄＥ，ＲａｎｄａｌｌＣｌｉｖｅＡ，ＳｈｒｏｕｔＴｈｏＩＴ．ＳＲ，ｅｔａＬ
２９８
ＪｐｎＪＡｐｐｌＰｈｙｓ，２００１，４０（１０）：５９９９
９
ＺｈａｎｇＳｈｕｊｕｎ，ＬｅｂｒｕｎＬａｕｒｅｎｔ，ＲｈｅｅＳｏｒａｈ，ｅｔａ１．ＪＣｒｙｓｔＧｒｏｗｔｈ，２００２，２３６：２１０
Ｂ印Ｔ薄膜不同体系的性能比较
１０
懈系取向篡Ｔ℃ｃ刍品赢品ｃｒ伽
ＢＳＰＴ５０［１６］（００１）薄膜４６０ＢＳＰＴ６６［１７］（１００）薄膜
４３５
一７０
一９
６５２２０
３６３３
９００１２００
ｏ．０９０．０５
ＺｈａｎｇＳｈｕｊｕｎ，ＲａｎｄａｌｌＣｌｉｖｅＡ，ＳｈｒｏｕｔＴｈｏｍａｓＲＰｈｙＳ，２００４，９５（８）：４２９１
ＪＡｐｐｌ
１１
ＺｈａｎｇＳｈｕｊｕｎ，ＲａｎｄａｌｌＣｌｉｖｅＡ，ＳｈｒｏｕｔＴｈｏｍａｓＲＡｐｐｌＰｈｙｓ，２００４，４３（９Ａ）：６１９９
ＪｐｎＪ
１２
ＺｈａｎｇＳｈｕｊｕｎ，ＪｅｏｎｇＤＹ，ＺｈａｎｇＱｉｍｉｎｇ，ｅｔａ１．ＪＣｒｙｓｔＧｒｏｗｔｈ，２００３，２４７：１３１
２结语
１３
ＥｉｔｅｌＲｉｃｈａｒｄＥ，ＺｈａｎｇＳｈｕｊｕｎ，ＳｈｒｏｕｔＴｈｏｍａｓＲ，ｅｔａ１．ＪＡｐｐｌＰｈｙａ，２００４，９６（５）：２８２８
因为具有高的居里温度、压电常数和机电耦合因子等优点，ＢｉＳｃ０３体系近年来受到各国研究者的高度关注。ＢｉＳｃ０３一Ｐｂ—ＴｉＱ体系目前仍然是高温压电材料研究的热点，但是随着对环境保护要求的迫切性的不断提高，无铅高温压电材料必将是未来研究的热点；同时材料的薄膜化也是该体系发展值得关注的问题。因此，在ＢｉＳｃ０３体系研究中，尝试ＢｉＳｃＯｓ基无铅高温压电陶瓷材料的制备、研究及其薄膜化，宜尽早予以重视。
参考文献
１
１４
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１７
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Ｌｅｔｔ，２００６，８８：２２２９０４
（责任编辑海鹰）
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ＳａｉｔｏＹａｓｕｙｏｓｈｉ，ＴａｋａｏＨｉｓａａｋｉ，ＴａｎｉＴｏｓｈｉｈｉｋｏ，ｅｔａＬ
Ｎａ—
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Ｅ－ｎｍｉｌ：瑚ｔ－ｒｅｖ＠１２６．ｃｏｍｌｌ
万方数据
钪酸铋基高温压电材料的研究与进展
作者：
王媛玉， 吴家刚， 吴浪， 李香， 冯斌， 廖运文， 朱建国， 肖定全， WANG Yuanyu，WU Jiagang， WU Lang， LI Xiang， FENG Bin， LIAO Yunwen， ZHU Jianguo， XIAO Dingquan
王媛玉,WANG Yuanyu(四川大学材料科学系,成都,610064;贵州大学材料科学与工程学院,贵阳,550003)， 吴家刚,吴浪,李香,冯斌,廖运文,朱建国,肖定全,WU Jiagang,WU Lang,LIXiang,FENG Bin,LIAO Yunwen,ZHU Jianguo,XIAO Dingquan(四川大学材料科学系,成都,610064) 材料导报
MATERIALS REVIEW2007,21(1)
作者单位：
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cldb200701007.aspx