同濟大學J.Am.Ceram.Soc.: 增強壓電響應和壓電電壓系數的新型KNN基陶瓷材料

【引言】

壓電陶瓷在電子科學技術中應用廣泛，是最重要的電子材料之一。然而，壓電陶瓷代表-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）是一種對環境有污染的材料，PbO在燒結過程中揮發性很大，對人體和環境都造成了危害。為此研究者致力于尋找、制造不含鉛陶瓷。

K_xNa_1-xNbO₃（KNN）陶瓷是一種不含鉛的，具有高居里溫度以及良好的壓電性能的材料，但其燒結溫度范圍卻很狹窄，具有非化學計量性，以及致密化過程復雜導致了其應用受到限制。2004年時，有研究人員利用RTGG法合成了(K_0.44Na_0.52Li_0.04)(Nb_0.86Ta_0.10Sb_0.04)O₃ (LF4)陶瓷，在性能上實現突破（壓電常數d33=416pC/N，機電耦合系數k_p=0.61）。RTGG法因此引起了人們的注意。摻雜合適的原子或者端元組分也是一種有效增強陶瓷壓電和電學性能的方式。有研究者系統地研究了Ta摻雜的KNN基陶瓷，其機電耦合系數k_p=0.41，機械品質系數Qm=1400。將幾種方法合并，或許就可以起到優勢互補的協同作用，從而增強陶瓷壓電性能。

【成果介紹】

日前，同濟大學翟繼衛課題組在J.Am.Ceram.Soc.上發表了題為“Simultaneously enhanced piezoelectric response and piezoelectric voltage coefficient in textured KNN-based ceramics”的文章。研究人員綜合了制備陶瓷的各方法的優勢，利用RTGG法制備出了KNN基織構陶瓷，使用兩步燒結法解決了制備KNN陶瓷過程中燒結溫度范圍狹窄的問題。并對陶瓷進行Ta摻雜操作，有效增強了其壓電和電學性能。隨后研究者對陶瓷的顯微結構，壓電性能，鐵電性能，介電性能進行了系統地研究。文章解釋了Ta元素的比例和織構陶瓷壓電性能之間的關系，并探索了它與不同取向的陶瓷之間的壓電響應的差別。

【圖文介紹】

圖一：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ 陶瓷（0.03≤x≤0.25）XRD圖像和低溫ε_r-T曲線（測試條件10HZ，溫度范圍-80℃-120℃）

（A）織構陶瓷XRD圖像；

（B）隨機取向陶瓷XRD圖像；

（C）織構陶瓷低溫ε_r-T曲線；

（D）隨機取向陶瓷低溫ε_r-T曲線。

圖二：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷熱腐蝕截面SEM圖像

織構陶瓷：

（A）x=0.03；

（B）x=0.15；

（C）x=0.25；

隨機取向陶瓷：

（D）x=0.03；

（E）x=0.15；

（F）x=0.25。

圖三：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷的ε_r-T 和tanδ-T圖像（溫度范圍：25℃-470℃）

（A）織構陶瓷；

（B）隨機取向陶瓷。

圖四：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷電滯回線和組成分析

（A）10Hz情況下織構陶瓷電滯回線；

（B）織構陶瓷和隨機取向陶瓷Pr和Ec組成分析圖像。

圖五：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線和d33*隨電場強度變化曲線

（A）織構陶瓷單極S-E曲線；

（B）織構陶瓷和隨機取向陶瓷的d33*隨電場強度變化曲線；

（C）電場強度50KV/cm時陶瓷單極S-E曲線；插圖為在偏置下具有O-T共存相的<001> 織構陶瓷疇結構示意圖。

圖六：0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線和d33*隨電場強度變化曲線補充圖

（A）電場強度30kV/cm，0.03≤x≤0.25時，0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線；

（B）電場強度30kV/cm時，隨機取向0.99KNLN_0.72ST_0.25-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線；

（C）織構陶瓷和隨機取向陶瓷隨著不同x取值的d33和d33*。

圖七：其他測試曲線

（A）織構陶瓷和隨機取向陶瓷的k_p-x曲線；

（B）織構陶瓷在x=0.15和x=0.25時的d33和k_p與溫度關系曲線；

（C）織構陶瓷的頻率-阻抗曲線和頻率-相位角曲線；

（D）隨機取向陶瓷的頻率-阻抗曲線和頻率-相位角曲線。

【小結】

研究人員發現，使用TGG方法和構建多態性組分（引入Ta元素）是增強KNN基陶瓷材料壓電性能的有效方式。通過調節Ta元素在陶瓷材料中的比例，可以在接近室溫條件下觀察到O-T共存相，它是一種亞穩體系，施加外電場時極化矢量更容易旋轉，因而在陶瓷材料中可以實現d33*為630pm/V，d33為391pC/N。晶體的定向生長增強了織構陶瓷的各向異性，從而和隨機取向的陶瓷材料相比，壓電性能有所增加，ε_r生長速率下降。并且所有織構陶瓷kp大于54%，當x值為0.15時，最大值為63.3%，優于同等條件下的LF4。這些優異的性能均表明0.99KNLN_0.97-xST_x-0.01CZ是一種合適的陶瓷材料組分。

文獻鏈接：Simultaneously enhanced piezoelectric response and piezoelectric voltage coefficient in textured KNN-based ceramics（J. Am. Ceram. Soc.，September1, 2017，DOI: 10.1111/jace.15175）

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本文由材料人編輯部張學瑞編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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