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非铅系压电铁电陶瓷——信息时代的新宠

作者:威尼斯APP登录    更新时间:2020-08-19 21:20

  众所周知,材料是国民经济的基础和先导,无论是社会经济整体实力的增强,还是人们物质文化生活水平的提高,都离不开大量的高性能材料。功能陶瓷作为信息时代的支柱材料,在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用,是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料。压电铁电陶瓷作为功能陶瓷中应用最广泛的一类材料,其世界市场份额约占整个功能陶瓷的三分之一以上。

  可以毫不夸张地说,压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落。如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器;电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器;银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器;医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪;家用电器中的电视机要用压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器;收录机要用压电微音器、压电喇叭;照相机和录像机要用压电马达等。

  压电陶瓷器件不仅在工业和民用产品上用途十分广泛,在军事上也同样获得了大量的应用。如将压电陶瓷做成水声换能器,作为核潜艇的一双明亮的“眼睛”,可以顺利进行水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷等工作;用压电陶瓷做成的压电引信,可以精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器;再如压电陶瓷制作的压电陀螺,是航空航天不可或缺的“舵手”等等。

  近年来,随着人们生态环保意识的提高和社会可持续发展战略的实施,在高技术新材料的研究中出现了一个新领域,即“环境材料”,其英文名为Ecomaterials(EnvironmentConsciousMaterials或EcologicalMaterials的缩写)。所谓环境材料是指对资源和能源消耗最少,对生态环境影响最小,回收循环再生利用率最高,或可降解再使用的新材料。这一概念的提出对传统的压电铁电陶瓷的应用提出了新的挑战。目前传统的压电铁电陶瓷,包括弛豫性铁电陶瓷在内,大多是含铅陶瓷,其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总重量的70%左右。含铅压电铁电陶瓷在制备、使用及废弃后处理过程中都会给环境和人类带来损害。为了保护地球和人类的生存空间,防止环境的污染,2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令,并定于2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电器件。为此,欧洲共同体立项151万欧元进行关于非铅系压电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也将相继通过类似的法令,并已逐年提高了对研制非铅系压电陶瓷项目的支持力度。由此可见,发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

  目前各国研究报导的非铅系压电铁电陶瓷体系主要有:BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钨青铜结构无铅压电陶瓷和铋层状结构无铅压电陶瓷等。中国科学院上海硅酸盐研究所作为我国最重要的功能陶瓷材料研究中心之一,早在1979年就开始组织研究队伍致力于非铅压电陶瓷的制备及其传感器器件的研制。2001年在国家高技术研究发展计划(“863”计划)的资助下,成功地开发了钙钛矿结构的钛酸铋钠钾系列和铋层状结构的钛酸铋锶钙系列的无铅压电陶瓷材料。该两类新材料的研制成功,标志着我国非铅系压电陶瓷材料的实用化研究已达到了国际水平。相信在不久的将来,压电铁电陶瓷的非铅化革命必将取得全面的成功,非铅系压电铁电陶瓷也必将成为信息时代的宠儿。

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