同济大学Adv. Mater. : 高压电性能无铅KNN基织构陶瓷

风之翼 7年前 (2018-01-16) 7043浏览

【引言】

压电材料是一种具有电能和机械能相互转换的功能材料。压电陶瓷由于同时具有正压电效应（即压电陶瓷在受到外力作用时会在表面产生电荷）和逆压电效应（即压电陶瓷在外电场作用下会产生形变）而被广泛应用于换能器、传感器、驱动器和能量收集器等电子器件中。压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。殊不知在日常生活中当你在点燃香烟、煤气灶或者热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。压电陶瓷不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也有大量的应用。在过去几十年中，铅基压电材料由于其优异的压电性能占据着市场的主要份额，然而为了保护环境以及满足人类的可持续发展理念，探索具有高性能的无铅压电材料成为该领域迫切需要解决的课题。

【成果简介】

近日，同济大学翟继卫教授，沈波副教授与澳大利亚卧龙岗大学张树君教授合作，通过采用织构化工艺以及对铌酸钾钠（KNN）基压电陶瓷成分的设计和烧结工艺的优化制备出具有高织构度的KNN基压电陶瓷，其压电系数d33高达~700 pC/N, 机电耦合系数kp为76%，电致应变S~0.3%，同时该材料具有高的居里温度和相对优异的电/热性能稳定性。该研究发现高的压电性能主要来源于三个方面：（Ⅰ）充分利用压电晶体的各向异性设计了具有<001>取向的正交（O）和菱方（R）相共存的晶体结构，该结构具有最合适的工程畴结构，即较多的能量等价的极化矢量（Ps）数以及极化矢量和外电场方向较小的夹角θ。（Ⅱ）织构陶瓷在外电压作用下产生的高的晶格畸变是压电性能提高的本征贡献。另外，极化过程中产生的新的中间相有利于极化过程的实现。（Ⅲ）TEM和PFM表征的结果发现织构陶瓷中由于模板晶粒的引入导致的电畴尺寸的减小（纳米畴）有利于畴壁在外电场作用下的移动。该研究成果为高性能无铅压电陶瓷的设计提供了指导。相关研究成果以“Ultrahigh Piezoelectric Properties in Textured (K,Na)NbO3-Based Lead-Free Ceramics”为题发表在了Advanced Materials上。

【图文导读】

图1. 不同模板含量KNN基陶瓷的相结构和性能

(a) 不同NN模板含量的KNN基压电陶瓷的室温XRD图；

(b) 不同NN模板含量的KNN基压电陶瓷的织构度F,压电系数d33及平面模式机电耦合系数kp的对比；

(c) KNN-3T 压电陶瓷的重要参数d33, kp, Tc和其他典型的无铅压电陶瓷体系及铅基压电陶瓷的对比；

图2. 不同模板含量的陶瓷的铁电和电致应变性能

(a) 不同NN模板含量的KNN基陶瓷的P-E滞回曲线；

(b) 不同NN模板含量的KNN基陶瓷的单向电致应变曲线；

(c) 压电陶瓷的d33与直流极化电场强度的关系；

(d) 低的交流电场强度和压电系数的关系；

图3. 随机取向和织构陶瓷的原位同步辐射XRD分析

(a, b) 随机取向KNN-0T和织构化KNN-3T陶瓷的(001)/(100)和(002)/(200)晶面的原位同步辐射XRD图谱；

(c) KNN-0T和KNN-3T样品的(001)晶面间距及晶格畸变度随极化电场强度的变化；

(d) 外电场作用下从菱方相的[111]自发极化矢量到正交相的[101]自发极化矢量的可能的极化翻转路径示意图；

图4. 织构陶瓷的TEM分析

(a) 织构陶瓷的晶粒的低倍率TEM明场像；

(b-d) 陶瓷中不同晶粒的选区电子衍射图谱；

(e-f) 不同畴结构中得到的汇聚束电子衍射（CBED）图谱;

(g) 织构陶瓷的高分辨晶格条纹图；

(h-l) 随机取向和织构陶瓷的畴结构的对比；

图5. 随机取向和织构陶瓷的PFM表征

(a-c) 随机取向KNN-0T陶瓷的Phase图及电畴在直流电压下的翻转图；

(d-f) 织构KNN-3T陶瓷的Phase图及电畴在直流电压下的翻转图；

(g-h) KNN-0T和KNN-3T陶瓷的PFM相位-电压和振幅-电压图；

【小结】

该研究利用两步熔盐法制备的片状铌酸钠NN作为模板，通过模板含量及烧结工艺的优化制备了高<00l>c取向的织构化KNN基压电陶瓷。在KNN-3T压电陶瓷中获得了高的压电性能，其压电系数d33~700 pC/N, 电致应变S~0.3%，居里温度Tc~242 oC。高的压电性能主要来源于R-O相成分的<00l>取向的晶体的合适的工程畴结构。另外，原位同步辐射XRD研究表明大的晶格畸变度是压电性能提高的本征贡献，而极化过程中产生的新相作为极化翻转的“桥梁”有利于极化过程的实现。TEM和PFM分析表明相比于随机取向的陶瓷, 织构陶瓷中大量的纳米畴具有减小的畴壁能有利于畴壁在外电场作用下的移动也是高压电性能的来源。本研究表明高性能织构化KNN基压电陶瓷是无铅压电陶瓷在机-电转换功能器件应用中的非常好的选择。

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

本文由同济大学翟继卫教授课题组提供。

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