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功能陶瓷是先進陶瓷的重要組成部分，是以電、磁、聲、光、熱和力學等信息的存儲、檢測、耦合及轉換等主要特征的介質材料，主要包括壓電、介電、熱釋電和磁性等功能各異的新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領域的主流材料之一。

壓電陶瓷

目前大多數商用現成的壓電陶瓷是幾種氧化物的復合物，這些氧化物在外力作用下變形以產生電信號。具有特殊光、電性能以及高絕緣等物理特性。目前基的壓電陶瓷有鋯鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鋯酸鍶等，主要用于電容器、濾波器、集成電路基板等陶瓷器件。

什么是壓電效應？

某些電介質在沿一定方向受外力作用而變形時﹐內部產生極化的同時﹐在晶體的兩個相對的表面上出現正負電荷，此現象稱為壓電效應。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應是指晶體因機械應力的作用而使其介質化﹐并使其表面荷電的效應。反之﹐當在晶體外部施加電場時，受電場影響的晶體會產生機械形變﹐稱為逆壓電效應。

左：正壓電效應 右：逆壓電效應

1、鋯鈦酸鋇

BaTiO₃系列鐵電材料是一種重要的功能材料，其中，鈦酸鍶鋇(BST)固溶體表現出優良的鐵電性能，如高介電常數、強介電非線性、不易疲勞、居里溫度可調等特性，在微電子學、光電子學、集成光學和微電子機械系統等領域具有廣泛的應用前景。但是，當外加直流電場超過幾十萬V/cm以后，其漏電流密度上升幾個數量級，并在2×10⁶ V/cm左右發生擊穿，從而限制了薄膜材料的最小厚度。

而鋯鈦酸鋇(BZT)是—種可能替代BST的材料，這是因為Zr⁴⁺比Ti²⁺的半徑大（分別為0.087 nm和0.068 nm），當Zr⁴⁺取代ABOs鈣鈦礦結構B位的Ti²⁺時，可增大材料的晶格常數，并且Zr⁴⁺比Ti²⁺更穩定。與BST相比，BZT中Ti⁴⁺與Ti³⁺之間的電子跳躍引起的電導減小了。因此，BZT材料的研究越來越受到人們的高度關注。

燒結好的BZT陶瓷的SEM圖

鋯鈦酸鋇陶瓷作為高介電材料，室溫介電常數可以高達20000以上，是典型的高介瓷料的主要成份。其制備方法大致分為以下幾種：固相法、溶膠凝膠法、微波燒結、機械合金化、低溫燒結、水熱合成法、共沉淀法等。

2、鋯鈦酸鉛

鋯鈦酸鉛是一種無機化合物，化學式為 Pb [ Zr_xTi_1?x] O₃ (0≤x≤1)。也稱為鈦酸鋯鉛，它是一種白色至灰白色的陶瓷鈣鈦礦材料，顯示出顯著的壓電效應，這意味著該化合物在施加電場時會改變形狀。它用于許多實際應用，例如超聲波換能器和壓電諧振器。

鈦酸鉛鋯最早于 1952 年左右在東京工業大學開發。與之前發現的基于金屬氧化物的壓電材料鈦酸鋇相比，鈦酸鉛具有更高的靈敏度和更高的工作溫度。壓電陶瓷因其物理強度、化學惰性和相對較低的制造成本而被選擇用于應用。鋯鈦酸鉛的相對介電常數可以在300到 20000的范圍內，具體取決于取向和摻雜。

鋯鈦酸鉛超聲換能器

不過隨著環境保護和可持續發展的需求增長，類似的含鉛壓電陶瓷被認為制作過程會對生態環境造成污染。比如說2001年歐州議會就已通過關于“關于在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質指令”的法令，要求投放歐盟市場的電器和電子產品不得有鉛、汞、鎘、6 價鉻、聚溴二苯醚和聚溴聯苯等有害物質。

3、鋯酸鍶

鋯酸鍶(SrZrO₃)陶瓷具有鈣鈦礦型結構，主要原料為碳酸鍶、二氧化鋯，加入少量改性添加物，一般用于制造高頻熱穩定陶瓷電容器和高溫陶瓷電容器。相對介電常數28~30，介質損耗角正切值4×10-6(0.5~5MC)，介電常數溫度系數為(15～25)×10^-6/℃，擊穿強度為15~25kV/mm，體積電阻率大于1012Ω·cm。

鋯酸鍶粉體

鋯酸鹽瓷的主要優點是高溫介電性能比含鈦陶瓷高，含鈦的金紅石瓷、鈦酸鎂瓷等通常只能在85℃下工作。工作溫度太高且在直流電場作用下，含鈦陶瓷容易發生電化學老化，即絕緣電阻逐漸減小，介質損耗逐漸增大，以致最后不能使用。鋯酸鹽瓷大部分能工作在155℃甚至更高溫度下，而很少發生電化學老化。在鋯酸鹽化合物中，適宜于制造高頻電容器的材料只有鋯酸鈣和鋯酸鍶兩種。

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