[科普中国]-铁电陶瓷

铁电陶瓷，主晶相为铁电体的陶瓷材料。常见的铁电陶瓷多属钙钛矿型结构，如钛酸钡陶瓷及其固溶体，也有钨青铜型、含铋层状化合物和烧绿石型等结构。铁电陶瓷配方的确定原则：先移后展，有所侧重；单独考虑，综合调整。1

介绍具有铁电性的陶瓷。在低于居里温度时具有自发极化性能。陶瓷中具有许多电畴，铁电陶瓷的重要特征是其极化强度与施加电压不成线性 关系，具有明显的滞后效应。由于这类陶瓷的电性能在物理上与铁磁材料的 磁性能相似，因而称为铁电陶瓷。不一 定以铁作为其主要成分。2

铁电效应某些电介质可自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向的现象称铁电效应。具有这种性能的陶瓷称铁电陶瓷。铁电陶瓷具有电滞回线和居里温度。在居里温度点，晶体由铁电相转变为非铁电相，其电学、光学、弹性和热学等性质均出现反常现象，如介电常数出现极大值。1941年美国首先制成介电常数高达1100的钛酸钡铁电陶瓷。

常见陶瓷材料常见的铁电 材料多属钙钛矿型结构，如BaTiO3、 PbTiO3、SrTiO3等。此外，钨青铜结 构材料有PbNb2O6、Sr1-xBaxNb2O6、 Ba2NaNb5O15等。焦绿石结构材料有 Cd2Ta2O7、Pb2Nb2O7、Cd2Nb2O7等。 层状氧化铋结构材料有Bi4Ti3O12、 PbBi2Nb2O9等。通过固溶、离子代换 和掺杂改性等获得实用的铁电氧化物 陶瓷已达千种以上。非氧化物铁电陶 瓷正在发展。可用于产生电容、压电、 热敏、电致伸缩、电声、电光等效应， 作为传感、驱动、存储、调制等器件的 材料。

制作工艺铁电陶瓷的制造工艺大致相同。例如，钛酸钡系陶瓷用超纯、超细的等摩尔碳酸钡和二氧化钛原料混合均匀，在1150°C左右预烧成钛酸钡。加入少量为改善工艺和电性能所需要的附加剂，如产生阳离子缺位的三价镧、三价铋或五价铌离子附加剂，产生氧离子空位的三价铁、三价钪或三价铝离子，置换钡离子使晶格畸变的二价锶离子以及生成液相、降低烧成温度的氧化镁或二氧化锰等附加剂。经过粉磨或其他方法充分混合，用干压、辊压或挤压等方法成型，再在1350°C左右的氧化气氛中烧成。还可采用热压烧结，高温等静压烧结等方法，以提高产品的质量。

铁电陶瓷性能它的主要特性为：

(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；

(2)存在电畴；

(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；

(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；

(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；

(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。

电性能：高的抗电压强度和介电常数。低的老化率。在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。

用途铁电陶瓷的特性决定了它的用途。利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可以制作红外探测器等。此外，还有一种透明铁电陶瓷，例如氧化铅（镧）、氧化锆（钛）系透明陶瓷,具有电光效应（即其电畴状态的变化,伴随有光学性质的改变）。通过外加电场对其电畴状态的控制、产生电控双折射、电控光散射、电诱相变和电控表面变形等特性。可用于制造光阀、光调制器、光存贮器、光显示器、光电传感器、光谱滤波器、激光防护镜和热电探测器等。

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学