JACS：具有高壓電應變、高熱穩定性的堿金屬鈮酸鹽無鉛鈣鈦礦壓電陶瓷材料

【引言】

壓電材料可以實現機械能和電能的相互轉化，廣泛應用于國防、生物醫學、光電子等領域。PZT材料憑借其優異的性能，占據著世界壓電材料這塊絕大部分市場份額。但隨著人們對環境問題的日益關注，開發一種性能優秀無鉛壓電材料取代含鉛的PZT材料，是一個急需解決的問題。（K，Na）NbO₃是最具有潛力的無鉛材料體系之一，但其溫度穩定性差，不利于實際應用。

【成果簡介】

近日，來自清華大學王軻等人成功制備了一種KNN無鉛壓電陶瓷，其具有很高的壓電應變，而且其溫度穩定性也十分優異，媲美PZT陶瓷材料，大大推動了KNN無鉛壓電陶瓷的應用。

他們用傳統固相法制備了MnO₂摻雜的 ( Na_0.5K_0.5 )NbO₃-( Bi_0.5Li_0.5 )TiO₃-BaZrO₃無鉛壓電陶瓷材料，發現其大信號壓電應變系數(d₃₃*)高達470 pm/V，而且其居里溫度(T_c=243 °C)也較高。更重要的是，其具有很好的溫度穩定性，大信號壓電應變系數(d₃₃*)從室溫到170 °C都保持著較高的水平(100°C時為430 pm/V，170°C為370 pm/V)。他們還對該陶瓷材料進行了熱退極化電流TSDC分析，從宏觀角度揭示了MnO₂摻雜的KNN陶瓷材料具有更少的缺陷和更強的鐵電性。另外，他們還對該陶瓷材料進行了局域極化實驗和SS-PFM(疇轉光譜-壓電力顯微鏡)表征，從微觀角度揭示了其增強的鐵電性和疇的運動。不同的晶粒生長和相角的提高可能是MnO₂摻雜的KNN陶瓷性能提升的原因。

他們制備的MnO₂摻雜的KNN陶瓷具有高的大信號壓電應變系數(d₃₃*)，很好的熱穩定性能，有望取代傳統的PZT壓電材料，極大地推動了無鉛壓電陶瓷材料的發展。

【圖文導讀】

圖1? KNN陶瓷材料結構和電學性能的表征

（a）XRD圖譜，2θ范圍是20°?60°。

（b）未極化的KNN-BLT-BZ-xMn ( x= 0.0?2.0 ) 陶瓷的介電溫譜與損耗譜。

（c）KNN-BLT-BZ-xMn ( x= 0.0?2.0 ) 陶瓷單極應變與溫度的曲線。

（d）KNN-BLT-BZ-xMn ( x= 0.0?2.0 ) 陶瓷大信號壓電應變系數 ( d₃₃* ) 與溫度的關系曲線，溫度從室溫到170 °C，測試頻率為1Hz。

圖2? 不同MnO2摻雜量的KNN-BLT-BZ壓電陶瓷的表面形貌

（a）x=0 KNN陶瓷的掃描電子顯微圖。

（b）x=1.0 KNN陶瓷的掃描電子顯微圖。

（c）x=0 KNN陶瓷壓電力顯微鏡垂直觀測相圖。

（d）x=1.0 KNN陶瓷壓電力顯微鏡側面觀測相圖。

圖3? KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷的阻抗、相角與頻率的關系以及熱退極化電流、計算的剩余極化與溫度的關系

（a）x=0 的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷室溫下的阻抗和相角與頻率的關系曲線。

（b）x=1.5 的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷室溫下的阻抗和相角與頻率的關系曲線。

（c）x=0、1.5 的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷退極化電流與溫度的關系曲線。

（d）x=0、1.5 的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷不同溫度下的計算剩余極化。

圖4? ??KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷極化行為、壓電響應滯回線、典型的蝴蝶形振幅與電壓關系曲線

（a）x=0.0的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷PFM面外模式下振幅圖，大的正方形區域（4 × 4 μm²）先被-15v的直流電壓極化，然后小的正方形區域（1 × 1μm²）被不同數值（0v、5v、10v、15v）的正向電壓極化。

（b）x=0.0的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷PFM面外模式下相圖，大的正方形區域（4 × 4 μm²）先被-15v的直流電壓極化，然后小的正方形區域（1 × 1μm²）被不同數值（0v、5v、10v、15v）的正向電壓極化。

（c）x=0.0的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷壓電響應滯回線和典型的蝴蝶形振幅與電壓關系曲線

（d）x=0.15的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷PFM面外模式下振幅圖，大的正方形區域（4 × 4 μm²）先被-10v的直流電壓極化，然后小的正方形區域（1 × 1μm²）被不同數值（0v、3.3v、6.6v、10v）的正向電壓極化。

（e）x=1.5的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷PFM面外模式下相圖，大的正方形區域（4 × 4 μm²）先被-15v的直流電壓極化，然后小的正方形區域（1 × 1μm²）被不同數值（0v、3.3v、6.6v、10v）的正向電壓極化。

（f）x=1.5的KNN-BLT-BZ-xMn壓電陶瓷壓電響應滯回線和典型的蝴蝶形振幅與電壓關系曲線。

【小結】

他們研制出了一種高壓電應變、高熱溫度性的KNN基無鉛壓電陶瓷材料，并用宏觀和微觀表征手段證明了MnO₂摻雜可以提高KNN基無鉛壓電陶瓷的壓電性能和鐵電性能。他們研制的這種高性能的KNN基無鉛壓電陶瓷材料，媲美PZT，有望量產應用。

文獻鏈接：High and Temperature-Insensitive Piezoelectric Strain in Alkali Niobate Lead-free（J. Am. Chem. Soc.,2017, Doi/abs/10.1021/jacs.7b00520）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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