同濟大學Adv. Mater. : 高壓電性能無鉛KNN基織構陶瓷

風之翼 6年前 (2018-01-16) 5804瀏覽

【引言】

壓電材料是一種具有電能和機械能相互轉換的功能材料。壓電陶瓷由于同時具有正壓電效應（即壓電陶瓷在受到外力作用時會在表面產生電荷）和逆壓電效應（即壓電陶瓷在外電場作用下會產生形變）而被廣泛應用于換能器、傳感器、驅動器和能量收集器等電子器件中。壓電材料的應用遍及當今社會日常生活的每個角落，人們幾乎每天都有可能涉及到壓電材料的應用。殊不知在日常生活中當你在點燃香煙、煤氣灶或者熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。壓電陶瓷不僅在工業和民用產品上用途廣泛，在軍事上也有大量的應用。在過去幾十年中，鉛基壓電材料由于其優異的壓電性能占據著市場的主要份額，然而為了保護環境以及滿足人類的可持續發展理念，探索具有高性能的無鉛壓電材料成為該領域迫切需要解決的課題。

【成果簡介】

近日，同濟大學翟繼衛教授，沈波副教授與澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授合作，通過采用織構化工藝以及對鈮酸鉀鈉（KNN）基壓電陶瓷成分的設計和燒結工藝的優化制備出具有高織構度的KNN基壓電陶瓷，其壓電系數d33高達~700 pC/N, 機電耦合系數kp為76%，電致應變S~0.3%，同時該材料具有高的居里溫度和相對優異的電/熱性能穩定性。該研究發現高的壓電性能主要來源于三個方面：（Ⅰ）充分利用壓電晶體的各向異性設計了具有<001>取向的正交（O）和菱方（R）相共存的晶體結構，該結構具有最合適的工程疇結構，即較多的能量等價的極化矢量（Ps）數以及極化矢量和外電場方向較小的夾角θ。（Ⅱ）織構陶瓷在外電壓作用下產生的高的晶格畸變是壓電性能提高的本征貢獻。另外，極化過程中產生的新的中間相有利于極化過程的實現。（Ⅲ）TEM和PFM表征的結果發現織構陶瓷中由于模板晶粒的引入導致的電疇尺寸的減小（納米疇）有利于疇壁在外電場作用下的移動。該研究成果為高性能無鉛壓電陶瓷的設計提供了指導。相關研究成果以“Ultrahigh Piezoelectric Properties in Textured (K,Na)NbO3-Based Lead-Free Ceramics”為題發表在了Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1. 不同模板含量KNN基陶瓷的相結構和性能

(a) 不同NN模板含量的KNN基壓電陶瓷的室溫XRD圖；

(b) 不同NN模板含量的KNN基壓電陶瓷的織構度F,壓電系數d33及平面模式機電耦合系數kp的對比；

(c) KNN-3T 壓電陶瓷的重要參數d33, kp, Tc和其他典型的無鉛壓電陶瓷體系及鉛基壓電陶瓷的對比；

圖2. 不同模板含量的陶瓷的鐵電和電致應變性能

(a) 不同NN模板含量的KNN基陶瓷的P-E滯回曲線；

(b) 不同NN模板含量的KNN基陶瓷的單向電致應變曲線；

(c) 壓電陶瓷的d33與直流極化電場強度的關系；

(d) 低的交流電場強度和壓電系數的關系；

圖3. 隨機取向和織構陶瓷的原位同步輻射XRD分析

(a, b) 隨機取向KNN-0T和織構化KNN-3T陶瓷的(001)/(100)和(002)/(200)晶面的原位同步輻射XRD圖譜；

(c) KNN-0T和KNN-3T樣品的(001)晶面間距及晶格畸變度隨極化電場強度的變化；

(d) 外電場作用下從菱方相的[111]自發極化矢量到正交相的[101]自發極化矢量的可能的極化翻轉路徑示意圖；

圖4. 織構陶瓷的TEM分析

(a) 織構陶瓷的晶粒的低倍率TEM明場像；

(b-d) 陶瓷中不同晶粒的選區電子衍射圖譜；

(e-f) 不同疇結構中得到的匯聚束電子衍射（CBED）圖譜;

(g) 織構陶瓷的高分辨晶格條紋圖；

(h-l) 隨機取向和織構陶瓷的疇結構的對比；

圖5. 隨機取向和織構陶瓷的PFM表征

(a-c) 隨機取向KNN-0T陶瓷的Phase圖及電疇在直流電壓下的翻轉圖；

(d-f) 織構KNN-3T陶瓷的Phase圖及電疇在直流電壓下的翻轉圖；

(g-h) KNN-0T和KNN-3T陶瓷的PFM相位-電壓和振幅-電壓圖；

【小結】

該研究利用兩步熔鹽法制備的片狀鈮酸鈉NN作為模板，通過模板含量及燒結工藝的優化制備了高<00l>c取向的織構化KNN基壓電陶瓷。在KNN-3T壓電陶瓷中獲得了高的壓電性能，其壓電系數d33~700 pC/N, 電致應變S~0.3%，居里溫度Tc~242 oC。高的壓電性能主要來源于R-O相成分的<00l>取向的晶體的合適的工程疇結構。另外，原位同步輻射XRD研究表明大的晶格畸變度是壓電性能提高的本征貢獻，而極化過程中產生的新相作為極化翻轉的“橋梁”有利于極化過程的實現。TEM和PFM分析表明相比于隨機取向的陶瓷, 織構陶瓷中大量的納米疇具有減小的疇壁能有利于疇壁在外電場作用下的移動也是高壓電性能的來源。本研究表明高性能織構化KNN基壓電陶瓷是無鉛壓電陶瓷在機-電轉換功能器件應用中的非常好的選擇。

文獻鏈接：Ultrahigh Piezoelectric Properties in Textured (K,Na) NbO3‐Based Lead‐Free Ceramics (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705171)

本文由同濟大學翟繼衛教授課題組提供。

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