固相合成法制备工程化应用的大应变压电陶瓷材料

引言

在智能制造、航空航天及医疗设备等领域快速发展的背景下，大应变压电陶瓷材料凭借其高效的机电转换能力与精确的驱动性能，成为实现精密控制与传感的关键基础材料。然而，传统制备方法存在成本高、工艺复杂、难以规模化生产等问题，限制了材料在工程领域的广泛应用。固相合成法以其原料适用性广、工艺可控性强、适合工业化生产的优势，为大应变压电陶瓷材料的制备提供了新方向，但目前该方法在提升材料应变性能、优化微观结构及增强环境稳定性方面仍面临挑战。

一、大应变压电陶瓷材料基础理论

1.1 压电效应与大应变机制

压电效应是压电陶瓷材料的核心特性，包含正压电效应与逆压电效应。正压电效应指材料在机械应力作用下，内部电荷分布发生变化，表面产生电荷。逆压电效应则是材料在电场作用下，晶格发生变形，产生机械位移。这两种效应的存在，使压电陶瓷在能量转换、信号传感与驱动领域发挥重要作用。大应变机制的产生与压电陶瓷的微观结构密切相关。材料的晶体结构类型、晶粒尺寸、缺陷浓度等因素，也会通过影响电畴运动与晶格畸变程度，对大应变性能产生调控作用。1.2 工程化应用需求分析

在航空航天领域，飞行器的主动控制与精密定位系统需要大应变压电陶瓷作为驱动元件，要求材料具备高应变能力、快速响应速度以及优异的高温稳定性，以满足复杂工况下的精确控制需求。在精密仪器制造中，如扫描探针显微镜、纳米压印设备，对材料的应变线性度和位移分辨率提出极高要求，确保纳米级别的运动精度。医疗设备领域同样对大应变压电陶瓷有着迫切需求。超声换能器作为超声诊断与治疗设备的核心部件，需要材料具有高机电耦合系数和大应变性能，以提高声波转换效率和成像清晰度。

1.3 固相合成法原理与特点

固相合成法是制备压电陶瓷材料的传统且重要的方法，其原理基于固态物质间的化学反应。将原料按化学计量比混合后，通过高温烧结使颗粒间发生扩散、反应，形成所需的陶瓷相。该方法工艺流程相对简单，主要包括原料混合、预烧、研磨、成型和烧结等步骤。与溶胶 - 凝胶法、水热法等制备技术相比，固相合成法具有显著优势。原料适用性广，可使用常见的氧化物、碳酸盐等作为起始原料，成本较低。工艺可控性强，通过调整烧结温度、时间等参数，能够有效控制材料的相结构和微观形貌。

二、固相合成工艺优化研究

2.1 原料选择与预处理

原料的品质与预处理方式直接影响大应变压电陶瓷材料的合成质量。在原料选择上，优先选用高纯度的氧化物或碳酸盐粉末，减少杂质对材料性能的负面影响。原料粒径也是关键因素，细粒径粉末能增加反应活性，促进固相反应充分进行，但过细的粉末易团聚，因此需将原料粒径控制在合适范围。预处理工艺通过混合与研磨操作，实现原料的充分均匀分散。采用高能球磨法，以玛瑙球或氧化锆球为研磨介质，在合适的球料比与转速下，使原料颗粒相互碰撞、破碎，促进元素间的预扩散。

2.2 合成工艺参数优化

合成工艺参数对大应变压电陶瓷的晶体结构与性能起决定性作用。烧结温度是核心参数，温度过低，固相反应不充分，材料致密度不足。温度过高，则可能导致晶粒异常长大，甚至出现杂相。以锆钛酸铅基陶瓷为例，通过梯度升温实验发现，随着温度升高，材料的压电性能先增强后减弱。保温时间与升温速率同样影响材料性能。

2.3 掺杂与改性技术

元素掺杂是改善大应变压电陶瓷性能重要方法之一，元素掺杂包括 A 位掺杂和 B位掺杂，A 位元素掺杂稀土，能有效控制居里温度和介电性能，有利于电畴运动，提高应变。B 位过渡金属掺杂调节缺陷浓度及氧空位含量，调节压电性能及稳定性。除了元素掺杂，复合改性将第二相或纳米颗粒引入材料中实现协同提升。表面改性技术如涂覆纳米涂层或进行离子掺杂改性，改善材料表面性能，提升抗疲劳及抗老化能力，使材料更好的满足工程化应用严苛条件的要求。

三、大应变压电陶瓷材料性能表征与分析

3.1 微观结构表征

对材料性能影响最根本的因素在于材料的微观结构，因此对材料的微观结构需要利用多种表征手段进行研究，利用扫描电子显微镜可以对材料进行表面形貌和断面形貌的表征，从而可以了解材料的晶粒大小、晶界形态、气孔分布等信息；通常均匀细小的晶粒、密集的晶格有助于提高材料的力学和电学性能，反之大的晶粒和气孔的存在会导致应力集中，性能下降。通过透射电子显微镜在原子尺度进行表征，通过对材料的高分辨表征来观察晶体中晶格条纹、位错、畴结构，观察电畴的取向和大小的分布情况，并且研究和分析其与大应变性能间的关系。同时结合 X-射线衍射仪，对材料的晶体结构和相组成进行精确的测量，确定材料有无杂相以及杂相的相对含量如何，为分析与理解材料性能发生变化的原因提供依据。

3.2 压电与应变性能测试

压电、应变性能是评估大应变压电陶瓷材料的使用价值的主要参数。用准静态 d33测试仪测量材料的压电常数d33，压电材料在机械应力与电场之间进行转换，其转换的效率用压电常数 d33 表征，材料压电性能与d33 值息息相关。应变仪通过对材料施加一定频率的交变电流，监测材料应变对电压/电流的响应情况，通过收集应变、电场曲线，研究应变-电场条件下，材料的应变饱和量、应变直线范围等。介电谐振测试仪测量材料的介电性能、机电耦合系数，从阻抗谱和导纳谱能测出材料的电学损失、共振频率等参数。利用极化使材料内部电畴取向方向趋于一致，改变电畴取向前后的性能差异，研究材料极化条件对压电、应变性能的影响规律，为优化提高材料性能提供指导。

3.3 环境稳定性研究

最终在大应变压电陶瓷工程应用前材料应在复杂工况中稳定存在，在对电场稳定性进行研究时，将材料置于恒定的交变电场内，研究其电疲劳现象，探知其中电畴的翻转导致的材料失效机理。通过机械振动试验，模拟材料的工程服役状态，观察其耐疲劳性能和阻断裂纹扩展的效果，为大应变压电陶瓷材料的工程化推广奠定试验基础。

结语

本研究通过固相合成法成功制备出适用于工程化应用的大应变压电陶瓷材料，经工艺优化与性能调控，显著提升材料应变性能、稳定性及环境适应性。研究成果为该材料的规模化生产提供可行方案，在精密驱动、传感检测等领域展现广阔应用前景。未来将进一步深化合成工艺创新，攻克性能提升难题，推动大应变压电陶瓷材料的产业化发展与更广泛的工程应用。

参考文献

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