微波技术在压电陶瓷材料中的研究进展及应用前景.pdf

第3 l 卷第4 期硅酸盐通报v。1 3 1N o 4微波技术在压电陶瓷材料中的研究进展及应用前景周媛1，李玉祥1，张梅2，李钒3，周普4(1 西安建筑科技大学材料科学与工程学院粉体工程研究所，西安7 1 0 0 5 5；2 北京科技大学理化系，北京1 0 0 0 8 3；3 北京工业大学环境与能源工程学院，北京1 0 0 0 2 9；4 陕西延长石油集团，西安7 1 0 0 0 0)摘要：本文简要介绍了微波水热和微波烧结技术的作用机理和特点，综述了微波水热与微波烧结在制备压电陶瓷方面的研究进展。在合成压电陶瓷材料上的应用上对微波制备技术与传统工艺进行比较，表明微波制备技术是一种极具潜力的技术；最后对微波水热结合微波烧结技术在提高压电陶瓷性能方面的前景作了展望并提出微波制备工艺在未来发展中亟待解决的若干问题。关键词：微波技术；压电陶瓷；压电常数；研究进展中图分类号：0 6 4 7文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-1 6 2 5(2 0 1 2)0 4-0 8 9 6-0 4R e s e a r c hP r o g r e s so nM i c r o w a v eT e c h n o l o g ya n dI t sA p p l i c a t i o ni nP i e z o e l e c t r i cM a t e r i a l sZ H O UY u a n1，L IY u x i a n 9 1，Z H A N GM e i 2，1 2F a n，Z H O UP u 4(1 I n s t i t u t eo fP o w d e rE n g i n e e r i n g，S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，X i b nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y，X i i m7 1 0 0 5 5，C h i n a；2 D e p a r t m e n to fP h y s i c a lC h e m i s t r y，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g，B e i j i n g1 0 0 0 8 3，C h i n a；3 C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a na n dE n e r g yE n g i n e e r i n g，B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，B e i j i n g1 0 0 0 2 9，C h i n a；4 S h a a n x iY a n c h a n gP e t r o l e u m，x i 缸7 1 0 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：I nt h i sp a p e rt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m so fm i c r o w a v eh y d r o t h e r m a la n ds i n t e r e da r em e n t i o n e d，t h er e s e a r c hp r o g r e s so fm i c r o w a v eh y d r o t h e r m a la n ds i n t e r e dt os y n t h e t i cp r o c e s so fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca r es u m m a r i z e d T h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v et e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lp y r o g e n a t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e di ns y n t h e s i so fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c，t h er e s u l ts h o w st h a tm i c r o w a v et e c h n o l o g yi sa na t t r a c t i v ep o t e n t i a lt e c h n o l o g y I nt h ee n d，t h ep r o s p e c to fm i c r o w a v eh y d r o t h e r m a la n ds i n t e r e di np i e z o e l e c t r i cc e r a m i ci Sv i e w e da n ds o m ep r o b l e m st ob es o l v e da r ep o i n t e do u t K e yw o r d s：m i c r o w a v et e c h n o l o g y；p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c；p i e z o e l e c t r i cc o n s t a n t；r e s e a r c hp r o g r e s s引言微波是一种电磁波，位于光波和无线电波之间，频率范围0 3 3 0 0G H z，相应的波长范围lm lm m 1|。一般分为3 个频段：超高频(U H F，3 0 0M H z 一3G H z)、特高频(S H F，3 3 0G H z)和极高频(E H F，3 03 0 0G H z)2 引。国内和工业微波炉通常的操作频率为2 4 5G H z，相应波长为1 2 2c m。基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(1 1 J K 0 8 4 0)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2 0 1 I J Q 7 0 1 1)作者简介：周媛(1 9 7 8)，女，硕士主要从事功能陶瓷方面的研究E m a i l：z h o u y u a n 2 3 2 4 0 1 6 3 c o r n万方数据第4 期周嫒等：微波技术在压电陶瓷材料中的研究进展及应用前景8 9 7自2 0 世纪4 0 年代以来，微波在雷达、通讯、能源和固体物理等领域已得到广泛应用。在现代无机材料制备过程中，微波辅助合成已逐步成为热点。目前微波技术在合成材料方面主要集中在微波均相沉淀，微波共沉淀，微波水热，微波烧结，微波固相合成等，而微波干燥，微波消解，微波萃取主要应用于样品分析方面5|。本文主要综述了微波水热和微波烧结的研究进展以及在合成压电陶瓷方面的应用前景，并对今后发展趋势做了展望。2微波与物质的相互作用微波能穿透绝缘体介质，直接把能量辐射到有介电特性的物质上。材料根据其与微波场作用的不同可分为以下3 种类型：(1)金属导体一反射微波能，零穿透，不被加热，属微波导体材料；(2)绝缘体透射微波，不被加热，微波通过时几乎没有能量损失，属微波穿透材料或微波低损耗材料；(3)电介质一吸收微波能，被加热，将电磁能转变为热能，其能量转化率取决于介质电损耗因子值，属介电材料。当材料收到微波照射后，极性分子(如水分子)的偶极子受到微波高频电场的作用，因而发生反复极化和改变排列方向(如图1 所示)。在分子间反复发生磨擦而发热，这样可迅速地将吸收的电磁波能量转变为热能，分子在微波的作用下，也可发生诱导而升温，从而达到快速反应的目的。另外，偶极是材料本身的特性之一，偶极子在微波的作用下迅速改变方向，改变了材料本身的结构，使得各项性能发生改变。影响微波吸收的因素有：温度和材料尺寸等。当加热温度高于临界温度(t)时物质可被加热；细小金属颗粒在微波场中由微弧进行加热。低损耗或绝缘材料添加C，S i，N。等助剂可被加热。微波场与材料相互作用的物理参数主要有：介电性质占，损耗正切t a n 8，穿透深度D。(m)及平均功率密度P(W m 3)。3微波在压电陶瓷材料中的应用嚣引俐1 删机溶剂具有永久偶极矩，在微波交变场中能发生偶极IlI 1 人、h lI；罐上i IIl弛豫，在体系内部直接引起微波能损耗。传统加热是ly月V l仓艮lI通过辐射、对流、传导三种方式由表及里进行的，微波PC，Ill|l 卜)l q加热利用微波做热源对反应物进行加热，是一种快速I V lllIlI|IlIl l制备粒径分布窄、分散性好、团聚少、结晶完整且结晶，1。万方数据8 9 8综合评述硅酸盐通报第3 l 卷杨忠波等3 采用微波水热获得平均粒径为6 0n m 的B a，S r h T i O，粉体。表1 不同压电陶瓷体系在水热与微波水热条件下的合成条件T a b 1R e a c t i o nc o n d i t i o n so fd i f f e r e n tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cs y s t e mb yh y d r o t h e r m a la n dm i c r o w a v eh y d r o t h e r m a lm e t h o dP Z TR e l a t i v ep e r m i t t i v i t y R TP e a kr e l a t i v eD i s s i p a t i o nf a c t o r R TC u r i et e m p e r a t u r e。(：图1 是作者采用水热和微波水热合成N a N b O，K N b O，和K 0 5 N a o 5 N b O，的S E M 照片。可以看出微波水热较水热法合成的粉体颗粒均一性和结晶性更好。经常压烧结后陶瓷具有较高的压电常数1 2 6p C N 1 0 1(水热条件下合成粉体压电常数为8 0 1 0 0p C N)。图2 水热与微波水热条件下合成N a N b 0 3，K N b 0 3，K o 5 N a o5 N b 0 3 粉体的S E M 照片F i g 2S E Mi m a g e so fp o w d e r sp r e p a r e db yh y d r o t h e r m a la n dm i c r o w a v eh y d r o t h e r m Ms y n t h e s i sr e a t i o n(a)，(b)N a N b 0 3；(c)，(d)K N b 0 3；(e)，(f)I(o5 N a 0 5 N b 0 33 2 微波烧结合成压电陶瓷粉末合成之后，后续工艺是对其烧结，使之致密化，以提高产品的各种性能。目前主要的烧结工艺有常压烧结，等离子火花烧结，热压烧结，热等静压烧结以及微波烧结等。传统烧结存在烧结时间长，烧结温度高，陶瓷致密度低等问题。微波烧结制备陶瓷材料具有以下优点：烧结中材料内部的粒子在微波电磁能作用下动能增大、活化能降低、扩散系数提高，可实现低温快速烧结并保证其微观结构的均一性；因材料的致密化速率与胚体颗粒离子间的扩散速率有关，所以微波烧结能提高材料的致密度引。目前采用微波烧结制备的陶瓷体系主要有：氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷，透明陶瓷及压电陶瓷等。采用微波烧结研究压电陶瓷的体系主要包括：P Z T 1 7 ，B a T i 0 3 92 和B a o”S r o 0 5 T i 0 3(B S T)引等。G o l d s t e i n 等1 采用微波烧结P z T 粉末与传统烧结方法得到烧结体的性能大有不同，如表3 所示。万方数据第4 期周媛等：微波技术在压电陶瓷材料中的研究进展及应用前景8 9 97 5 4-7 6 0O 0 2 0 O l2 4()o0 5 9 52 3 07 50 0 42 3 0 0O 6 0 02 5 0s a d h a n a 等一1 将B a T i O，粉体在9 5 0，1 0 5 0 和11 5 0。1 2 3 0m i n 进行微波烧结。与传统烧结1 2 5 0 3h 进行比较，发现微波烧结在较低温度下烧结体具有较好的致密性；曹贺明等u 到对微波烧结与常规烧结B a T i O，陶瓷的界面偏析进行研究，发现微波烧结在结构上形成比常规烧结匹配度更高的晶界结构，使得杂质离子难以在界面上发生偏析。T a k u r 等引采用微波烧结制备B a，S r o T i O，陶瓷，与常规烧结进行比较结果如表4 所示，发现微波烧结较常规烧结所得样品介电常数，致密化程度更高，粒径较小且晶粒尺寸均匀，合成和烧结时间也大大缩短。表4B a o 蛄S r o 惦T i O，(B S T)陶瓷常规和微波烧结的结构和介电常数T a b 4S t r u c t u r ea n dd i e l e c t r i cp a r a m e t e ro fB a 0 S r o T i 0 3(B S T)c e r a m i ci nc o n v e n t i o n a la n dm i c r o w a v es i n t e r i n g4结语目前大多使用的压电陶瓷材料主要是以性能优异的P z T 为基的二元系及多元系陶瓷，但P b O 有毒、高温下易挥发，对环境危害极大。因此无铅压电陶瓷越来越受到人们的关注，但其性能远不如铅基陶瓷。从以上综述可以看出，微波水热和微波烧结在提高无铅压电陶瓷结构与性能方面均有很大潜力。而目前采用微波水热法合成压电陶瓷的体系有限，因此应采用微波技术合成更多的陶瓷体系，进而进行多元掺杂。可设想若前期采用微波水热法制备晶粒尺寸均匀的陶瓷粉体，后期经微波烧结致密化，那么陶瓷的性能将大大提高。然而因微波技术本身的复杂性，尽管存在很多优点，但在陶瓷材料乃至整个材料学领域还有许多问题亟待解决：(1)微波加热的微观机理还有待进一步加强，帮助我们解释在微波加热中发生的各种现象；(2)微波加热材料种类的局限性、温度精确测量与控制，以及非均匀加热、烧结件的热点与开裂，还有获得温度均匀的大烧结区域仍是突破的难题；(3)微波加热技术仅限于实验室，离大规模实用化尚有一段距离，因此在理论研究、设备制造以及工艺控制等方面仍需要开展大量工作。参考文献 1 肖长江，邓湘荣，栗正新纳米陶瓷的特性及烧结方法研究进展 J 硅酸盐通报，2 0 1 1，3 0(1)：1 2 9 1 3 4 2 M e t a x a sAC，M e r e d i t hRJ I n d u s t r i a lM i c r o w a v eH e a t i n g N L o n d o n：P e t e rP e r c g r i n t u s，1 9 8 3，4 4 0-4 6 7 3 T h o s t e n s o nET，C h o uTW，M i c r o w a v ep r o c e e d i n go ff u n d a m e n t a la n da p p l i c a t i o nc o m p o s i t e s，p a r tA J A p p LS c i M a n u f a c t u r i n g，1 9 9 9，3 0(9)：1 0 5 5-1 0 7 1(下转第9 0 4 页)三她州一一b 一汰雠c。眦。“万方数据9 0 4综合评述硅酸盐通报第3 l 卷 1 3 1 4 1 5 1 6 3 1 7 1 8 韩彬，王勇，韩涛玻璃涂层的制备与性能研究 J 中国表面工程，2 0 0 2，(I)：3 5 0 6 潘克强，张利平金属管道热熔敷玻璃涂层耐蚀性试验研究 J 防腐保温技术，2 0 0 2，l O(3)：1 6 1 9 孙方红热化学反应法A 1 2 0 3 基纳米复合陶瓷涂层的制备及性能研究 D 辽宁：辽宁工程技术大学学位论文，2 0 0 7 V i j a y a t a k s h m iU，R a j e s w a r iS S y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f 蕊g e ld e r i v e dg I m c e r a m i c a n d i t sc o m m i o np r o t e c t i o no n3 1 6 L S S J J o u r n a o fS 0 1 G e lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，2 0 0 7，4 3(2)：2 5 1-2 5 8 Z h a n gAJ，L izH，L iZC，e t 且1 P r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fS i 0 2-A 1 2 0 3 一N a 2 0g l 弱sc o a t e dc B Na b r a s i v ep a r t i c l e sV i a 帅l g e lr o u t e J 1 J o u r n a lo f S o l G e lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，2 0 0 9，4 9：6 1 1 朱型广，赵康，罗德福，等钛合金表面T i 0 2 一F H A-H A 梯度生物陶瓷涂层的制备 J 硅酸盐通报，2 0 0 7，2 6(4)：8 1 2-8 1 5 刘剑亚T i 0 2 S i 0 2 凝胶玻璃涂层的耐水性 J 安庆师范学院学报(自然科学版)，2 0 0 2，s(3)：2 8-3 1 武丽华，张健，张相春，等医用T i 合金表面生物玻璃涂层的制备与研究 J 山东陶瓷，2 0 0 8，3 1(1)：8-1 0 王婧妹，牛晓巍，华伦，等金属载体表面玻璃涂层的表征及结合强度 J 材料热处理学报，2 0 1 0，3 1(5)：1 2 3-1 2 7 K a y ac，B u f f e rEG，L e w i sMH C o-e x t r u s i o no fA 1 20 3 Z r 0 2b i p h a s eh i g ht e m p e r a t u r ec e r a m i c sw i t hf i n es c a l eM i g n e dm i c r o s t r u c t u r e s J J o u r n a lo ft h eE u r o p e a nC e r a m i cS o c i e t y，2 0 0 3，2 3：9 3 5-9 4 2 刘新年，高档妮，郭宏伟，等金属材料热喷涂玻璃涂层的研究 J 材料保护，2 0 0 5，3 8(1 0)：8-1 0 苏建成，王勇，韩彬火焰喷涂玻璃涂层工艺研究 J 新技术新工艺，2 0 0 3，()：4 3 埘苏建成，王勇，韩彬火焰喷涂玻璃涂层的耐蚀性研究 J 中国表面工程，2 0 0 3，(1)：3 8-4 0 周炬。邱长军高速火焰喷涂多功能梯度玻璃涂层的工艺研究 J 南华大学学报(自然科学版)，2 0 1 1，2 5(2)：2 6-2 8 M i o l aM，F e r r a r i sS，N u n z i oSD，e ta 1 S u r f a c es i l v e r-d o p i n go fb i o c o m p a t i b l eg l a s s e st oi n d a c ea n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s J J o u r n a o fM a t e r i a l sS c i e n c e M a t e r i a l s 讥M e d i c i n e，2 0 0 9，加：7 4 1-7 4 9，占君，陈桂明，张倩，等超音速火焰喷涂硅酸盐玻璃涂层工艺研究 J 材料科学与工艺，2 0 1 0，1 8(3)：3 2 6 3 2 9。宋建丽，李永堂，邓琦林，等激光熔覆成形技术的研究进展 J 机械工程学报，2 0 1 0，4 6(1 4)：2 9-3 5 王茂才，喻家庆激光熔覆玻璃涂层 J 无机材料学报，1 9 9 4，9(2)：1 4 4 1 4 9 喻家庆在碳钢基材上激光熔覆玻璃涂层及其物理化学行为研究 J 腐蚀科学与防护技术，1 9 9 5，7(1)：8 6-8 7，(上接第8 9 9 页)4 郝斌，刘大成，微波烧结的研究进展及其在陶瓷材料中的应用 A 中国陶瓷工业，2 0 1 0，1 7(5)：6 5-6 7 5 刘玉婷，周英，尹大伟，等微波技术在化学化工上的应用 J 化学世界，2 0 1 0，5 1(8)：5 0 5-5 0 8 6 H a r a h s h e hMA，K i n g m a nSW M i c r o w a v e-a s s i s t e dl e a c h i n g-ar e v i e w J H y d r o m e t a l l u r g y，2 0 0 4，7 3：1 8 9-2 0 3 7 许斌生，曹丽云，黄剑锋，等微波水热法合成硅酸钇纳米晶 J ，人工晶体学报，2 0 0 9，3 8(6)：1 3 2 9 1 3 3 2 8 1 5 1 61 71 81 92 0I s a a c rA，u uSF，S f i d h a rK，e td P r o c e s s i n go fP h(Z r o5 2 T i o 糯)0 3(P Z T)c e r a r s c sf r o mm i c r o w a v ea n dc o n v e n t u o n a lh y d r o t h e r m a lp o w d e r s J M a t e r R e s B u，1 9 9 9，3 4(9)：1 4 1 l 一1 4 1 9 S a d h a n aK，K r i s h n a v e n iT，P r a v e e n aK，e ta 1 M i c r o w a v es i n t e r i n go fn a n o m r i u mt i t a n a t e J S c r i p t aM a t e r，2 0 0 8，5 9：4 9 5 _ 4 9 8 杨忠波，常爱民，赵青，等纳米晶钛酸钡锶粉体的微波水热合成 J 材料科学与工程学报，2 0 0 6，2,4(4)：5 7 8-5 8 1 周嫒微波水热合成K o 5 N a o 5 N b 0 3 粉体及其压电陶瓷性能研究 D 北京：北京科技大学硕士学位论文，2 0 0 9 X i aCT，S h iEW，Z h o n gWz，e ta 1 H y d r o t h e r m a lS y n t h e s i so fB a T i 0 3F i n eP o w d e r s J 上l n o r gM a t e r，1 9 9 5，1 0(3)：2 9 3-3 0 0 马景云，苗鸿雁，谈国强，等水热法制备钛酸锶钡粉体的研究 J 云南大学学报，2 0 0 5，2 7(5 A)：4 2 9-4 3 3 Z h a n gC，L vHJ，G u oM，e ta l，T h e r m o d y n a m i ce v a l u a t i o na n dh y d r o t h e r m a lp r e p a r a t i o no f K：N a I。N b 0 3 J R a r eM e t a l s，2 0 0 8，2 7(4)：3 7 13 7 7 Z h o uY，G u oM，Z h a n gC，e ta 1 H y d r o t h e r m a ls y n t h e s i sa n dp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t yo fT a-d o p i n gX o5N a o5N b 0 3l e e d f r e ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c J ，G e r a mI n：，2 0 0 9，3 s(8)：3 2 5 3-3 2 5 8 王飞，周新贵，于金山，等微波烧结工艺制备陶瓷材料的研究现状 J ，材料导报A：综述篇，2 0 1 1，2 5(1 0)：2 8-3 1 G o l d s t e i n A K r a v c h i kM S i n t e r i n go f P Z Tp o w d e r s i nM W f u r a n c ea t2 4 5G H z J 上C e r a m S o c，1 9 9 9，1 9：9 8 9-9 9 2，T a k u rOP，P r a k a s hc，A g r a w a lDK M i c r o w a v es y n t h e s i sa n ds i n t e r i n go fB a o S r o T i 0 3 J M a t e r L e t t，2 0 0 2，5 6：9 7 0-9 7 3 曹贺明，刘韩星，欧阳世翕。等微波烧结钛酸钡陶瓷与常规烧结钛酸钡陶瓷界面偏析研究 j 硅酸盐学报，2 0 0 0，z s(1)：4 7-5 0 赵亚，李全路，王胜利，等无铅压电陶瓷的研究与应用进展 J 硅酸盐通报，2 0 1 0，2 9(0 3)：6 1 6-6 2 1 侈甜毖绉M 笱拍卯万方数据微波技术在压电陶瓷材料中的研究进展及应用前景微波技术在压电陶瓷材料中的研究进展及应用前景作者：周媛，李玉祥，张梅，李钒，周普，ZHOU Yuan，LI Yu-xiang，ZHANG Mei，LI Fan，ZHOU Pu作者单位：周媛,李玉祥,ZHOU Yuan,LI Yu-xiang(西安建筑科技大学材料科学与工程学院粉体工程研究所,西安,710055)，张梅,ZHANG Mei(北京科技大学理化系,北京,100083)，李钒,LI Fan(北京工业大学环境与能源工程学院,北京,100029)，周普,ZHOU Pu(陕西延长石油集团,西安,710000)刊名：硅酸盐通报英文刊名：Bulletin of the Chinese Ceramic Society年，卷(期)：2012,31(4)本文链接：http:/