高锆系PZT压电陶瓷的制备及性能研究(8)
1.5.2 掺杂改性[41]
研究表明[42]：Zr/Ti与PZT制品性能密切相关，但是由于PZT为含铅陶瓷，高温下PbO容易挥发，从而使化学组分不能精确控制，陶瓷性能难以保证，满足不了不同领域对PZT制品性能的要求。故需要在选择Zr/Ti比的基础上，通过加入适当的掺杂物进行改性，以改善PZT制品性能。PZT系压电陶瓷的掺杂改性是PZT压电陶瓷研究领域的一个重点。[43]，在使用中，通过单独调节Zr/Ti比并不能完全满足要求，在生产中经常添加一些添加剂来调整期性能。添加改性可以分为软性添加物改性，硬性添加物改性，碱土添加物改性。
（1） 软性添加物改性：
实验证实，未掺杂的PZT材料的电导为P型电导，即“空穴”为主要载流子。在PZT中加入La3+、Bi3+、Sb5+、W5+、等添加物，可以形成Pb2+缺位，因为的离La3+、Bi3+半径和Pb2+的差不多，它们进入PZT固溶体中，一般置换Pb2的位置但是它们的价数较Pb2+高，所以在置换Pb2+时产生A位空位。而Nb5+、Sb5+的半径较小，所以它们一般进入PZT固溶体的空隙中，即B位，但是由于这些离子的电价比Zr和Ti高，所以仍然要产生A空位来补偿多余的正电荷。
由于PZT中的Pb易挥发，所在在缺Pb的地方，易形成2价负电中心。而失去电子的地方则产生“空穴”。软性添加物的加入，可以提供较多的价电子，这些价电子与PZT中的空位产生复合作用，使空位浓度减小。所以软性添加物的加入可以显著提高PZT的体积电阻率，使材料能够耐较高的电场强度，从而使在极化过程中电畴的转向更充分，有利于Kp值的提高，而且Pb缺位的出现，使由于逆压电效应所产生的机械应力及几何形变在一定的空间范围内得到缓冲，因而使电畴翻转时所要克服的势垒降低，畴壁易于运动，表现为介电常数、弹性柔顺系数增加，同时介电损耗和机械损耗增加。这一类氧化物的添加使得陶瓷极化变得容易，因而相应的提高了压电性能。但是，空位的存在增加了陶瓷内部的弹性波的衰减，引起Qm的降低，介电性能下降。因而具有这类添加物的压电陶瓷通常称为“软性”压电陶瓷
（2） 硬性添加物改性：
在PZT加入K+、Na+、Mg2+、Al3+等去置换Pb2+或者（ZrTi）4+，由于这些离子电子价较小，在置换出Pb2+或者（ZrTi）4+引起氧空位的增加。氧空位引起晶胞收缩和扭曲，同时受主-氧空位偶极子在外加电场下重新定向，起到稳定电畴的作用，使畴壁运动困难。尽管因为空位的增加导致电导值增加，但是因为畴壁运动困难导致了Qm的提高、矫顽场的增加以及介电系数的下降。硬性添加物可以在烧结时阻止晶粒长大。因为硬性添加物主要集中在PZT的晶界，使得晶粒生长受阻，得到较高的致密度。
（3） 碱土添加物改性：
Ca2+、Sr2+、Ba2+等都属于碱土添加物改性。这些离子半径与Pb2+相似，加入到PZT中置换Pb2+形成固溶体。每种碱土金属离子的加入都有各自的特殊作用。在生产中通常采取同时加入两种或者两种以上的碱土离子。
1．6 PZT陶瓷的应用
高位移新型压电致动器：自从发明压电致动器特别是多层压电致动器以来，其应用日益扩大，特别是精密定位方面。现在多层压电致动器在国外已经大量地应用于汽车的燃料注入系统和悬置系统[44]。压电变压器:压电变压器从50年代就己开始研制，但是直到90年代才进入商品化，获得成功的应用。压电陶瓷变压器体积小，质量轻，可以做成扁平形状，它实际上没有电磁噪声，只产生有限的热，而转换效率高达95％，所以90年代随着薄形电源以及高频(大于2 MHz)开关电源对压电变压器迫切要求，对压电变压器的研制又重新活跃起来。现在己研制成多层压电变压器，最大功率已超过50 W，并且己大量地应用在笔记本式计算机液晶显示器的背光电源以及复印机和传真机的高压电源。