[科普中国]-反铁电陶瓷

反铁电现象的陶瓷材料。主要由 PbZrO3或PbTiO3为基的固溶体 Pb (ZrTiSn) O3组成。当锆酸铅为主晶相时，需加入5%～15%的含铅 玻璃以促进烧结和提高耐电强度。具有双电滞回线，可用于制作反铁电电 容器、换能器和电压调节元件等。调节电场可达4kV/mm。1

介绍反铁电陶瓷采用一般电子陶瓷工艺制造。由于其中含铅量较高，常用刚玉坩埚加盖密封烧成，以防止氧化铅高温挥发，烧成温度：1340℃左右。

用这类材料制成的抗辐射储能电容器的储能密度可达0.3J/cm3以上，制作时常在瓷片电极附近的绝缘边上涂敷半导釉，可有效地防止绝缘边击穿，提高工作电压。还可用于制作高压电容器、高介电容器，以及换能器（实现电能与机械能转换）等。

铁电体与反铁电体具有一个或多个铁电相的晶体称为铁电体。铁电相是指在某个温度范围内晶体不仅存在自发极化，而且自发极化强度可随外加电场重新定向的一种状态。晶体的自发极化能被外电场重新定向的这种性质称为铁电性。铁电体的极化强度和外施电场强度之间呈现出电滞现象，类似于铁磁体的磁滞回线，因此，用电滞回线描述电滞现象。铁电体内自发极化方向一致的微小区域称为电畴。电畴随外电场反向而反转时具有某种滞后特性，因而宏观上铁电体就显示出电滞现象。铁电体的重要特征是存在一个结构相变温度Tc，即晶体由低温的铁电相转变为高温的非铁电相的温度，此温度称为居里点。铁电体的介电、弹性、光学和热学性质等在Tc附近出现反常现象。在Tc以上顺电区域内，电容率与温度的关系遵循居里—外斯定律。反铁电体的结构和铁电体相近，但相邻的子晶格却是沿反平行方向产生自发极化的，因此，宏观性能上，反铁电体和铁电体既有相同之处，也有不同之处，在某些条件下，如外施强电场可以使反铁电相转变为铁电相。由于铁电体是热释电体的一个亚族，因此，铁电体从本质上来看总是具有压电性和热释电性。

常见的反铁电体有钙钛矿型的PbZrO3和NaNbO3，KDP型的NH4H2PO4（ADP），亚硒酸盐型的CsH3（SeO3）3，蚁酸盐型Ag2H3IO6和Pb3V2O8等。

反铁电陶瓷的研究与发展锆锡钛酸铅是一种反铁电陶瓷。上世纪60年代末，美国Clevite 实验室在其开发的具有高压电性能的锆钛酸压电材料基础上，针对PZT压电陶瓷机电转换能力不足的问题，研制出了一种具有大机电转换能力的新型有源材料—PZST 反铁电相变陶瓷，即通过对PZT基铁电材料掺杂改性得到能够在室温条件下由反铁电相被电场诱导转变成铁电相的PZST反铁电陶瓷，相变过程会产生大的体积应变量。

此后，西安交通大学开展了反铁电材料的研究和应用工作。研究了化学组份和不同外场对反铁电陶瓷相变性能的影响和变化规律，针对该类材料丰富的相变性能在不同应用领域开展工作，给出了性能优化途径，比如，利用压致相变制作大功率脉冲爆电电源，利用场诱相变制作电压调节器等。在利用其大电致应变特性方面，也开展了系统的研究工作，通过掺杂改性和优化制备工艺，重点解决PZST反铁电陶瓷相变场强较高和电滞损耗偏大等问题，得到了具有大电致应变量、低相变场强和小电滞损耗的“细长”型电滞回线的PbLa（Zr,Sn,Ti）O3（简称PLZST）

反铁电陶瓷，这种材料的电致应变量比PZT 压电陶瓷高出10倍以上，其杨氏模量在100～110GPa之间，应变能是PZT压电陶瓷的100倍以上。考虑到材料电滞损耗因素，要尽量工作在低频状态，以减小交流电场下的热损耗，使器件稳定工作。2

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学