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JACS:具有高压电应变、高热稳定性的KNN基无铅压电陶瓷材料
更新日期:2017-04-24  

  压电陶瓷能够实现机械能和电能的相互转化,广泛应用于传感器、换能器和驱动器等。以锆钛酸铅(简称PZT)为代表的传统铅基陶瓷虽然性能优异,但铅的毒性对环境和健康提出了严重的挑战。铌酸钠钾(KNN)基陶瓷由于其较高的压电系数和居里温度被认为是最具潜力的无铅压电陶瓷体系之一。在实际应用中,特别是对压电驱动器来说,能否在获得高压电性能的同时保持较好的性能温度稳定性,是决定KNN能否在众多无铅体系中脱颖而出的关键。 

  近日,清华大学材料学院李敬锋教授、王轲副教授及其团队在《美国化学会志》期刊上发表题为“High and Temperature-Insensitive Piezoelectric Strain in Alkali Niobate Lead-free Perovskite的研究论文(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00520),报道了一种新的KNN组分(Na0.5K0.5)NbO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3-BaZrO3KNN-BLT-BZ),并通过在KNN基陶瓷中掺杂适量MnO2获得了高达470 pm/V的室温压电应变常数d33*,此性能与PZT陶瓷性能相当。此外,经过MnO2成分优化的KNN陶瓷与未掺杂陶瓷相比,综合压电性能得到大幅度提升,表现出了优异的压电应变温度稳定性。当测试温度从室温升高至100 ℃时仍然能够保持430 pm/V的压电应变响应,在室温到100 ℃的宽温度范围内压电应变性能变化率小于10 %,优于铅基压电陶瓷及同类代表性KNN基无铅压电陶瓷。 

图来源:JACS

  研究人员利用多种表征手段对材料进行了全面分析。宏观上,热激励退极化电流(TSDC)测试结果表明掺杂KNN陶瓷具有更高的剩余极化强度,其铁电性在MnO2成分优化后得到明显提升;此外,MnO2作为助烧剂有效降低了陶瓷的烧结温度,促进了致密化,同时Mn的掺入可能起到补偿碱金属离子的挥发,从而降低缺陷浓度的作用。微观上,通过利用压电力显微镜(PFM)对陶瓷样品进行局部极化测试,并对不同区域进行写畴,发现Mn掺杂样品中的铁电畴具有更高的压电活性,更容易在电场下发生翻转,对压电响应产生更大贡献;极化翻转谱测试的结果也表明掺杂陶瓷具有更高的微观压电应变,同时相位-电压曲线呈现更好的矩形度。 

  该研究为进一步提高无铅陶瓷的压电性能指明了方向,也为无铅压电陶瓷进一步的产业化应用注入了希望。 

  另外,该课题组与四川大学和新加坡国立大学合作,近期在关于KNN基陶瓷的压电响应机理研究方面也取得进展,通过使用PFM压电原子力显微术对压电陶瓷表面进行纳米尺度表征,揭示了KNN基材料的高压电活性与纳米铁电畴的关联性,在《能源与环境科学》期刊上报道了关于KNN基陶瓷的高压电性起源研究成果(Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c6ee03597c)。 

        (摘自 知社学术圈