1. 1课题研究背景

早在十九世纪80年代，居里兄弟就已经发现了石英晶体里具有压电效应。随后沃伊特指出具有不对称中心的结构的晶体材料都可能是压电材料^[1]。随着压电材料的不断发展，人们开发出越来越多种类的压电陶瓷材料，而压电材料也被运用在航空航天、信息通信、能源转换、电子设备、机械产品、汽车、探测器等领域。时至今日，压电陶瓷材料已经成为一种新型高技术功能材料，在各行各业都拥有广阔的应用前景，高性能的压电陶瓷材料是本世纪最为重要的材料类型之一，研制新型的高性能压电陶瓷材料也是全世界都在进行的一个重要研究课题。

目前在市场中占据最大份额的、应用最广的仍属铅基压电陶瓷^[8]。锆钛酸铅（PZT）基陶瓷以及铌镁酸铅（PMN）陶瓷具有良好的电致应变性能以及优越的压电性能被广泛应用在各个领域，但是铅基陶瓷在生产过程中会使用PbO（或Pb₃O₄）作为原料，烧结过程中很容易挥发出有毒物质Pb气体，对人体、对环境都会造成危害。为了环保起见，自2001年起各国政府纷纷确立了有关”禁止使用含有有毒物质的电子器件”相关法案。我国于2003年颁布的《电子信息产业部污染防护管理办法》中也明确指出要限制含铅物质的使用。于是，研发新型无铅压电材料来替代以往的铅基材料就变成了当务之急，世界各国都在进行有关无铅压电陶瓷材料开发的课题^[2,3]。

1.2 压电材料概述

1.2.1 压电效应

压电效应的实质是：压电材料在外加力的作用下，其内部会因发生形变而产生电荷，导致材料的内部出现了电极化，在其表面会形成电荷的过程。这种我们一般称其为正压电效应。与之相对的还有逆压电效应，是指在电场的作用下，压电体的内部出现了电极化，正负电荷中心产生了一定程度的偏移，进而导致了压电体产生一定形变的过程。压电效应可以说是一种反映了”电”与”力”之间耦合关系的机电耦合效应。居里兄弟最早在石英晶体中发现了压电效应，后来人们也发现压电效应一般出现在具有不对称结构的晶体材料中。

(a)正压电效应

(b)逆压电效应

图1-1 压电效应示意图：(a)正压电效应(b)逆压电效应

1.2.2 压电材料的应用