摘 要 本文综述了大功率压电陶瓷材料的研究进展，介绍了其体系结构、应用和制备方法，最后指出掺杂改性、探索新的材料体系和制备工艺是改进其制备的有效途径。
关键词 压电陶瓷，大功率，低损耗
1压电学的发展
19世纪80年代居里兄弟在石英晶体上发现压电效应，美国、日本和前苏联于二战中期几乎同时发现钛酸钡（BaTiO3）具有高介电常数。1894年沃伊特指出[1]，32种点群中仅无对称中心的20种点群的晶体才可能具有压电效应。这20种点群晶体，只要是绝缘体都是压电体，而其中具有单一极轴的10种点群压电晶体中某些压电晶体在一定的温度范围内能自发极化，其自发极化方向因外电场方向反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具有该特性的物质称为铁电体。不久之后，于1947年发现了钛酸钡的压电性，并成功研制出钛酸钡压电陶瓷，美国于1954年公布了压电体锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3（即PZT），实现了压电陶瓷发展史上的巨大飞跃。
2压电材料的体系结构
压电材料的体系结构[2]如图1所示。其中钛酸铅的居里温度为490℃，温度稳定性好；介电常数εTr小，适于高频下工作；Kt/Kp值大，可以有效抑制横向寄生模式的干扰，提高器件的工作效率，适合多层压电降压变压器的制作，但其压电性能d33、Kp较低。
锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷具有表4所示的优良性能，但机电耦合因素Kp和机械品质因素Qm难以实现双高[3]。PZT基的三元系压电陶瓷具有烧结温度低、气孔率小及微观结构均匀致密的特点。对它的研究主要包括两方面：一是在准同型相界附近找到合适的锰、锑、锆、钛的比例[4]；二是进行掺杂取代改性。这方面的研究有稀土元素(Lu2O3，CeO2，Yb2O3，Eu2O3等)掺杂、NiO、Fe2O3、Nb2O5等掺杂，还有Sr2+，Mg2+等取代[5]。
3压电陶瓷的应用分类
压电陶瓷的应用可分为两大类：压电振子和压电换能器。
3.1 压电振子的应用
压电陶瓷作为压电陶瓷振子的应用如表2所示，它利用压电振子本身的谐振特性，将电能转换为振动的机械能。
（1） 陶瓷压电变压器
陶瓷变压器属于压电陶瓷振子的一种，其输入压电陶瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应转换成电能，在能量的这两次转换中实现阻抗变换，从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出，它要求材料具有较高的径向耦合系数Kp、机械品质因数Qm；低的介电损耗；压电、介电、弹性等性能参数具有较好的频率、温度、时间稳定性。
压电变压器与传统电磁变压器相比，具有体积小、质量轻、无电磁噪声、高升压比、高能量密度、高效率、耐高压高温与短路烧毁、耐潮湿、节约有色金属等优异性能，特别适应电子电路向集成化、片式化发展的趋势[6]。随着IT产业的快速发展，压电变压器已广泛应用于笔记本电脑、数码相机、掌上电脑、移动电话、传真机、复印机等电子信息类产品。最大能量转换效率大于95%、最大能量密度大于57.3W/cm3的压电变压器已有报道[7]。
（2） 陶瓷滤波器
陶瓷滤波器在交变电场作用下，压电陶瓷振子会产生机械振动，当外加交变电场增加到最小阻抗频率(fm)时，振子的阻抗变得最小，输出电流最大。当频率继续升高达到最大阻抗频率(fn)时，振子阻抗变得最大，输出电流最小，由此实现滤波功能。其制备材料要求各个参数的经时稳定性和温度稳定性要好，材料的机械品质因素要高、介质损耗小，机电耦合系数Kp能按滤波器对带宽的要求而定。
