1压电材料概述

压电材料是一种具有压电效应的多晶体。1850年，Jacques Curie和Pierre Curie兄弟在研究热电现象和晶体对称性时发现，在一些无对称中心晶体的电轴方向施加应力时，在正交于电轴方向的两端的电极面上会出现数量相等的正负束缚电荷，其电荷密度与施加的应力成正比。这种没有电场作用，只是由机械应力或应变而使晶体表面带电的现象被称做压电效应[1]，而晶体的这一性质就叫做压电性。1881年，Lippman 根据能量守恒，借助热力学原理和电量守恒定律，预见了逆压电效应的存在，即沿着压电晶体的特定方向施加电场时，导致了晶体发生应变并且应变与电场成正比。几个月后，居里兄弟证实了逆压电效应的存在，并给出石英晶体数值相等的正、逆压电效应的压电常数[2]。压电效应反映出压电体的弹性和介电性之间的相互耦合作用。具有压电性能的材料称为压电材料[3]，晶体的压电效应可以用图1来解释。

图 1 压电效应机理示意图

由于Pb基的压电材料具有较好的电性能，因此应用极为广泛。然而其加工、应用、回收中产生的Pb污染问题成为影响社会可持续发展的不和谐因素，环境友好型无铅压电、铁电材料正是未来研究发展的新方向。压电陶瓷数目众多，类型也各不相同，按晶体结构分类，压电陶瓷主要有三种类型：钨青铜结构(AXB10O30)、含铋层状结构(Bi2Ax-1BxO3x 3)、钙钛矿型(ABO3)铁电压电材料[4]。目前研究较多的钙钛矿型无铅压电材料主要由以下几个体系：BaTiO3、Na0.5Bi0.5TiO3、K0.5Bi0.5TiO3、NaNbO3、KNbO3及其形成的固溶体等。针对柔性压电纤维膜的制备，我们主要用到压电材料为无铅钛酸铋钠粉体(Na0.5Bi0.5TiO3,NBT)。

2 NBT概述

1960年，Smolenskii 等人[5]首次合成的无铅钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3，NBT)是一种A位离子复合取代钙钛矿型弛豫铁电体，图2为NBT晶体结构示意图[6]：晶胞顶角A位的一半被正一价的 Na 占据，另一半被正三价的Bi3 占据(Na 半径0.95nm，Bi3 半径 0.96nm)。虽然钠和铋的电价差异较大，但是到目前为止并没有发现Na 和Bi3 具有长程有序的结构，其可能由于A位阳离子在晶格上的无序分布而造成NBT的驰豫铁电性。NBT从高温到低温的相变过程异常复杂，Suchanicz等人[7,8]认为在Tgt;540 ℃时NBT 为立方顺电相；当Tlt;540 ℃时开始出现四方相；在420℃lt;Tlt;500℃时为纯四方相；Tlt;420℃是四方和三方相共存，随着温度降低，三方相逐渐增多；在T=320 ℃时，四方和三方相各占一半的体积；在T=260 ℃时，NBT晶体全部变为三方相。但是Isupov等人[9]认为NBT在200 ℃以上时为三方相反铁电相，在200～300 ℃范围之间的相变属于渐变的动力学过程。目前对于NBT的相变过程仍然存在很大的争论[10]。室温下NBT为三方结构，a=0.3891nm，α=89ordm;36acute;，居里温度为320 ℃[11]。NBT具有较大的剩余极化强度Pr=38 μC/cm2和很高的矫顽场Ec=73 kV/cm，具有较强的铁电性。

图2 Na0.5Bi0.5TiO3的晶体结构