[科普中国]-钛酸钡陶瓷

钛酸钡陶瓷是以钛酸钡(BaTiO3)或其固溶体为主晶相的陶瓷材料。主要原料为碳酸钡和二氧化钛。通常先在1200℃左右合成钛酸钡，再加改性氧化物，经细磨，成型后在1400℃左右温度下烧结而成。用作电容器介质材料和制作多种压电器件。

介绍钛酸钡陶瓷是以钛酸钡或其固溶体为主晶相的 陶瓷。具有ABO3钙钛矿型结构，是典 型的铁电材料，分子式为BaTiO3。以 BaCO3、TiO2为主要原料预先合成后 经1280～1400℃烧结而成。或以化学 法制备的高纯超细钛酸钡粉料成型后 直接烧成。经人工高压极化具有压电 性，其机电耦合系数（Kp） 0.36，品 质因数（Qm） 300，压电常数d31和d33分别达-80×10-12C/N和190× 10-12C/N，居里温度120℃，用于制作 压电器件。可通过添加移峰剂或压峰 剂进行改性。利用强制还原法或施主 掺杂法可制备钛酸钡半导体陶瓷，用 于制造铁电电容器、正温度系数 （PTC）热敏元件、表面层电容器和各 种压电器件。1

钛酸钡材料机理作为著名的铁电和压电材料，BaTIO3早在1942年就已经为美、苏学者所发现，是迄今为止研究得最为透彻的物质之一，而以现代人的眼光来看，BaTIO3基压电陶瓷的优异电性能和低污染性是其再次受到人们重视的重要因素，因此BaTIO3也是目前制备无铅压电陶瓷的重要候选材料。现阶段对BaTIO3压电陶瓷的研究主要集中在以BT为基的二元或多元陶瓷体系。

BaTiO3属于ABO3型钙钦矿结构（如图1所示），随着温度的变化，BaTIO3经历以下的相变过程:立方顺电相~120℃一四方相~5℃一正交相~一80℃一三方相。在室温时，它有很强的压电铁电性，表现出较强的沿c轴自发极化的铁电性，自发极化值为26×10-12 C/cm2。当温度高于120℃时，BaTIO3晶体属于立方晶系，压电铁电性能消失。

BaTIO3陶瓷是研究与发展得相当成熟的无铅压电陶瓷材料，其具有高的介电常数、较大的机电藕合系数和压电常数，中等的机械品质因数和较小的介电损耗。但其居里温度较低（Tc=120℃），工作温区狭窄，且在室温附近存在相变，即BaTIO3陶瓷在5℃附近，要发生铁电四方相（4mm）到铁电正交相（Zmm）的转变，使用不方便，不能用于大功率的换能器。同时该陶瓷压电性能的温度和时间稳定性欠佳，烧结困难（烧结一般在1300℃一1350℃），难以通过掺杂改性大幅度提高其性能来满足不同的需要

钛酸钡陶瓷特点及应用自20世纪40年代年发现钛酸钡陶瓷的压电性以来，压电陶瓷的发展已有60余年。压电陶瓷作为一类重要的、国际竞争极为激烈的功能材料，其应用已遍及人类生产及生活的各个角落。然而，传统的压电陶瓷大多是含铅陶瓷，其中氧化铅（或四氧化三铅）约占原料总质量的70%左右，在制备、使用及废弃处理过程中，都会给环境和人类带来危害。从生态环境保护和社会可持续发展战略的实施来看，压电陶瓷的无铅化是其发展的必然趋势。ABO3型钙钛矿结构的BaTiO3（BT）是最早发现的无铅压电陶瓷，也是最先获得应用的压电陶瓷材料。

钛酸钡晶体有一般压电材料的共有特性：当它受压力而改变形状的时候，会产生电流，一通电又会改变形状。于是，人们把钛酸钡放在超声波中，它受压便产生电流，由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反，用高频电流通过它，则可以产生超声波。现在，几乎所有的超声波仪器中，都要用到钛酸钡。除此之外，钛酸钡还有许多用途。例如：铁路，工人把它放在铁轨下面，来测量火车通过时候的压力；医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器，是锐利的水下眼睛，它不只能够看到鱼群，而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。2

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宋春霖 - 副教授 - 江南大学