1.2.3 压电陶瓷的发展历史

在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应，即某些各向异性的晶体，在机械应力的作用下，成比例地产生电荷或在外电场的作用下，成比例地产生几何变形。这种压电现象的发现，是压电学建立和发展的起点[7]。论文网

在1940年以前人们所知的铁电体有两类：一类是罗息盐与某些密切有关的酒石酸盐，一类是磷酸二氢钾盐和它的同晶型物。罗息盐是一种在常温下具有压电性的独特晶体，在技术上使用价值也很高。但由于它含有结晶水而易溶于水。在1935年，人们又发现磷酸钾等具有压电性，而磷酸钾系统不含有结晶水，但由于要在极低的温度（-148℃以下）下才具有压电性，因此在工程商使用价值不大。

在四十年代后期，有些国家先后发现了钛酸钡（BaTiO3）是一种铁电体，它不溶于水而耐热，不久又发现在BaTiO3陶瓷上施加高的直流偏压时，会出现很强的压电效应，而且在取消偏压以后，这种效应还继续存在。因此，对BaTiO3在理论上还是技术应用上都进行了充分的长时间的研究。到目前为止，BaTiO3的理论已经成熟，为压电陶瓷材料的进一步研究打下良好的基础。BaTiO3陶瓷的发现，是压电材料发展的一个飞跃。在这以前，压电材料只是指压电单晶材料，从那时起，压电材料由两大类组成，即压电单晶材料和压电陶瓷材料。

本世纪五十年代初期，发现了压电锆钛酸铅固溶体(PZT)系统以及与BaTiO3结构上十分不同的压电铌酸铅系统。锆钛酸铅非常强和非常稳定的压电效应的发现，具有重大实际意义。它与BaTiO3比较具有许多优点：(1)、PZT具有较高的机电耦合系数，达0.7左右；(2)、它具有较高的居里温度Tc，可达350℃以上。既允许工作在较高温度，获得较高的功率密度，同时也允许制造器件工艺在较高温度下进行，材料与器件的相容性较好。特别是在集成工艺中，换能材料与半导体工艺必须相容；(3)、容易极化而不容易去极化；(4)、介电系数范围宽，可调节余地大；(5)、比BaTiO3容易在低温下烧结；(6)、固溶体的组成范围很广，掺杂调节性能余地也很宽，因而比较容易满足各种换能器的性能要求。所以，具有不同添加物的PZT就变成为占优势的压电陶瓷。

尽管PZT具有非常优异的性质，但随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越高了，二元系的PZT已远远满足不了要求，这样就促进了对新型的压电材料的研究，人们广泛地研究了三元系的压电陶瓷材料，同时也研究费钙钛矿型的压电陶瓷材料，例如钨青铜型结构、铋系层状结构、焦绿石型结构等压电陶瓷材料。

1.2.4 压电陶瓷的应用

压电陶瓷材料的应用非常广泛，例如：

(1)、蜂鸣器。儿童玩具上的蜂鸣器就是利用压电陶瓷的逆压电效应，当电流作用于陶瓷上时，会产生振动，从而发出悦耳动听的声音[8]。

(2)、压电打火机。电子打火机的核心元件中就有压电陶瓷的存在，通过撞击压电陶瓷，产生电流，在与陶瓷相连的导线一端产生电火花，与逸出的气体一起，形成火焰[9]。

(3)、超声波换能器。采用大功率的发射型压电陶瓷制作，可用于超声波清洗仪中[9]。

(4)、声纳。可用于战舰、潜艇上，通过压电陶瓷将电能转换为机械能，即超声波，以此来探测目标的位置以及距离[10]。

1.3 钛酸铋钠无铅压电陶瓷

1.3.1 钛酸铋钠陶瓷的结构和性能

Bi0.5Na0.5TiO3(缩写为BNT)是一种钙钛矿结构的无铅压电陶瓷，其结构式为ABO3，全配位时配位数是A：B：O=12：6：6，结构及位移极化行为如图1.4所示：