鈦酸鋇陶瓷

鈦酸鋇陶瓷是以鈦酸鋇或其固溶體為主晶相的 陶瓷。具有ABO₃鈣鈦礦型結構，是典 型的鐵電材料，分子式為BaTiO₃。以 BaCO₃、TiO₂為主要原料預先合成後 經1280～1400℃燒結而成。或以化學 法制備的高純超細鈦酸鋇粉料成型後 直接燒成。經人工高壓極化具有壓電 性，其機電耦合係數（K_p） 0.36，品 質因數（Q_m） 300，壓電常數d₃₁和d₃₃分別達-80×10^-12C/N和190× 10^-12C/N，居里温度120℃，用於製作 壓電器件。可通過添加移峯劑或壓峯 劑進行改性。利用強制還原法或施主 摻雜法可製備鈦酸鋇半導體陶瓷，用 於製造鐵電電容器、正温度係數 （PTC）熱敏元件、表面層電容器和各 種壓電器件。 ^[1] 

作為著名的鐵電和壓電材料，BaTIO₃早在1942年就已經為美、蘇學者所發現，是迄今為止研究得最為透徹的物質之一，而以現代人的眼光來看，BaTIO₃基壓電陶瓷的優異電性能和低污染性是其再次受到人們重視的重要因素，因此BaTIO₃也是目前製備無鉛壓電陶瓷的重要候選材料。現階段對BaTIO3壓電陶瓷的研究主要集中在以BT為基的二元或多元陶瓷體系。

BaTiO₃屬於ABO₃型鈣欽礦結構（如圖1所示），隨着温度的變化，BaTIO₃經歷以下的相變過程:立方順電相~120℃一四方相~5℃一正交相~一80℃一三方相。在室温時，它有很強的壓電鐵電性，表現出較強的沿c軸自發極化的鐵電性，自發極化值為26×10^-12 C/cm²。當温度高於120℃時，BaTIO3晶體屬於立方晶系，壓電鐵電性能消失。

BaTIO₃陶瓷是研究與發展得相當成熟的無鉛壓電陶瓷材料，其具有高的介電常數、較大的機電藕合係數和壓電常數，中等的機械品質因數和較小的介電損耗。但其居里温度較低（T_c=120℃），工作温區狹窄，且在室温附近存在相變，即BaTIO₃陶瓷在5℃附近，要發生鐵電四方相（4mm）到鐵電正交相（Zmm）的轉變，使用不方便，不能用於大功率的換能器。同時該陶瓷壓電性能的温度和時間穩定性欠佳，燒結困難（燒結一般在1300℃一1350℃），難以通過摻雜改性大幅度提高其性能來滿足不同的需要

自20世紀40年代年發現鈦酸鋇陶瓷的壓電性以來，壓電陶瓷的發展已有60餘年。壓電陶瓷作為一類重要的、國際競爭極為激烈的功能材料，其應用已遍及人類生產及生活的各個角落。然而，傳統的壓電陶瓷大多是含鉛陶瓷，其中氧化鉛（或四氧化三鉛）約佔原料總質量的70%左右，在製備、使用及廢棄處理過程中，都會給環境和人類帶來危害。從生態環境保護和社會可持續發展戰略的實施來看，壓電陶瓷的無鉛化是其發展的必然趨勢。ABO3型鈣鈦礦結構的BaTiO₃（BT）是最早發現的無鉛壓電陶瓷，也是最先獲得應用的壓電陶瓷材料。

鈦酸鋇晶體有一般壓電材料的共有特性：當它受壓力而改變形狀的時候，會產生電流，一通電又會改變形狀。於是，人們把鈦酸鋇放在超聲波中，它受壓便產生電流，由它所產生的電流的大小可以測知超聲波的強弱。相反，用高頻電流通過它，則可以產生超聲波。現在，幾乎所有的超聲波儀器中，都要用到鈦酸鋇。除此之外，鈦酸鋇還有許多用途。例如：鐵路，工人把它放在鐵軌下面，來測量火車通過時候的壓力；醫生用它製成脈搏記錄器。用鈦酸鋇做的水底探測器，是鋭利的水下眼睛，它不只能夠看到魚羣，而且還可以看到水底下的暗礁、冰山和敵人的潛水艇等。 ^[2]