[科普中國]-反鐵電陶瓷

反鐵電現(xiàn)象的陶瓷材料。主要由 PbZrO3或PbTiO3為基的固溶體 Pb (ZrTiSn) O3組成。當(dāng)鋯酸鉛為主晶相時，需加入5%～15%的含鉛 玻璃以促進(jìn)燒結(jié)和提高耐電強(qiáng)度。具有雙電滯回線，可用于制作反鐵電電 容器、換能器和電壓調(diào)節(jié)元件等。調(diào)節(jié)電場可達(dá)4kV/mm。1

介紹反鐵電陶瓷采用一般電子陶瓷工藝制造。由于其中含鉛量較高，常用剛玉坩堝加蓋密封燒成，以防止氧化鉛高溫?fù)]發(fā)，燒成溫度：1340℃左右。

用這類材料制成的抗輻射儲能電容器的儲能密度可達(dá)0.3J/cm3以上，制作時常在瓷片電極附近的絕緣邊上涂敷半導(dǎo)釉，可有效地防止絕緣邊擊穿，提高工作電壓。還可用于制作高壓電容器、高介電容器，以及換能器（實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換）等。

鐵電體與反鐵電體具有一個或多個鐵電相的晶體稱為鐵電體。鐵電相是指在某個溫度范圍內(nèi)晶體不僅存在自發(fā)極化，而且自發(fā)極化強(qiáng)度可隨外加電場重新定向的一種狀態(tài)。晶體的自發(fā)極化能被外電場重新定向的這種性質(zhì)稱為鐵電性。鐵電體的極化強(qiáng)度和外施電場強(qiáng)度之間呈現(xiàn)出電滯現(xiàn)象，類似于鐵磁體的磁滯回線，因此，用電滯回線描述電滯現(xiàn)象。鐵電體內(nèi)自發(fā)極化方向一致的微小區(qū)域稱為電疇。電疇隨外電場反向而反轉(zhuǎn)時具有某種滯后特性，因而宏觀上鐵電體就顯示出電滯現(xiàn)象。鐵電體的重要特征是存在一個結(jié)構(gòu)相變溫度Tc，即晶體由低溫的鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐姆氰F電相的溫度，此溫度稱為居里點(diǎn)。鐵電體的介電、彈性、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)等在Tc附近出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。在Tc以上順電區(qū)域內(nèi)，電容率與溫度的關(guān)系遵循居里—外斯定律。反鐵電體的結(jié)構(gòu)和鐵電體相近，但相鄰的子晶格卻是沿反平行方向產(chǎn)生自發(fā)極化的，因此，宏觀性能上，反鐵電體和鐵電體既有相同之處，也有不同之處，在某些條件下，如外施強(qiáng)電場可以使反鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。由于鐵電體是熱釋電體的一個亞族，因此，鐵電體從本質(zhì)上來看總是具有壓電性和熱釋電性。

常見的反鐵電體有鈣鈦礦型的PbZrO3和NaNbO3，KDP型的NH4H2PO4（ADP），亞硒酸鹽型的CsH3（SeO3）3，蟻酸鹽型Ag2H3IO6和Pb3V2O8等。

反鐵電陶瓷的研究與發(fā)展鋯錫鈦酸鉛是一種反鐵電陶瓷。上世紀(jì)60年代末，美國Clevite 實(shí)驗(yàn)室在其開發(fā)的具有高壓電性能的鋯鈦酸壓電材料基礎(chǔ)上，針對PZT壓電陶瓷機(jī)電轉(zhuǎn)換能力不足的問題，研制出了一種具有大機(jī)電轉(zhuǎn)換能力的新型有源材料—PZST 反鐵電相變陶瓷，即通過對PZT基鐵電材料摻雜改性得到能夠在室溫條件下由反鐵電相被電場誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變成鐵電相的PZST反鐵電陶瓷，相變過程會產(chǎn)生大的體積應(yīng)變量。

此后，西安交通大學(xué)開展了反鐵電材料的研究和應(yīng)用工作。研究了化學(xué)組份和不同外場對反鐵電陶瓷相變性能的影響和變化規(guī)律，針對該類材料豐富的相變性能在不同應(yīng)用領(lǐng)域開展工作，給出了性能優(yōu)化途徑，比如，利用壓致相變制作大功率脈沖爆電電源，利用場誘相變制作電壓調(diào)節(jié)器等。在利用其大電致應(yīng)變特性方面，也開展了系統(tǒng)的研究工作，通過摻雜改性和優(yōu)化制備工藝，重點(diǎn)解決PZST反鐵電陶瓷相變場強(qiáng)較高和電滯損耗偏大等問題，得到了具有大電致應(yīng)變量、低相變場強(qiáng)和小電滯損耗的“細(xì)長”型電滯回線的PbLa（Zr,Sn,Ti）O3（簡稱PLZST）

反鐵電陶瓷，這種材料的電致應(yīng)變量比PZT 壓電陶瓷高出10倍以上，其楊氏模量在100～110GPa之間，應(yīng)變能是PZT壓電陶瓷的100倍以上?？紤]到材料電滯損耗因素，要盡量工作在低頻狀態(tài)，以減小交流電場下的熱損耗，使器件穩(wěn)定工作。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)