電性、介電與鐵電陶瓷

鋯鈦酸鉛(PZT)

/ pee-zee-TEE /

如果鈦酸鋇是介電冠軍,那 PZT 就是壓電冠軍——它是多數超音波探頭、聲納陣列、精密致動器、蜂鳴器與超音波清洗機裡的那種陶瓷。PZT 代表鋯鈦酸鉛,一種鈣鈦礦固溶體,寫作 Pb(Zr,Ti)O3:A 位置由鉛佔據,B 位置則由鋯與鈦以製造者選定的比例共享。

魔法就在那個鋯對鈦的比例。寫作 Pb(Zr_x Ti_(1-x))O3,材料的晶體對稱性隨 x 改變,而在 x 約 0.52 附近,它恰好坐落於準同型相界——菱面(富鋯)相與四方(富鈦)相相會的組成。在那條界上,一次能同時有異常多的容許極化方向,所以材料格外容易被極化,其壓電與介電係數也尖銳達峰。這正是為什麼商用 PZT 都配方在那條 52/48 線附近,達到約 200 至逾 600 皮庫侖每牛頓的壓電電荷係數 d33。摻雜把它調成兩個家族:「軟」PZT(施體摻雜,例如摻鈮)靈敏度高、應變大,但損耗較高且容易去極化——適合感測器與致動器;「硬」PZT(受體摻雜,例如摻鐵)係數較低但損耗小、機械品質因數高、抗去極化——適合大功率發射與超音波熔接。

PZT 主宰壓電領域已逾半世紀,因為沒有別的材料能同時兼具如此大的係數、夠高的居里溫度(約 350 度 C)與便宜的陶瓷製程。但它揹著一個誠實的負擔:它以重量計約有 60% 是鉛。這使它成為 RoHS 等限制的對象,壓電 PZT 目前僅靠一項特定豁免存活,因為領先的無鉛候選——鈮酸鉀鈉(KNN)與鈦酸鉍鈉(BNT)系統——仍不如它。全球有龐大的研究努力在設法縮小這道差距,但截至今日,PZT 仍是那個要被超越的標竿。

柴油共軌燃油噴射器用的是一疊數百層的薄 PZT:一個電壓脈衝使這疊伸長幾微米,這段位移經液壓放大後,以任何電磁閥都比不上的速度與精度,每分鐘讓噴射器啟閉數千次。

PZT 的優勢在於 Zr/Ti 約 52/48 附近的準同型相界,那裡多個極化方向相會、壓電響應達峰。

PZT 約有 60% 是鉛。它只在特定法規豁免下才繼續用於元件;備受追求的無鉛壓電陶瓷確實存在,但仍無法比擬它在係數、居里溫度與成本上的綜合表現。

又称
lead zirconate titanatePb(Zr,Ti)O3鋯鈦酸鉛