一种扩散型PPB相界可优化压电系数及温度稳定性

本站原创 2024-11-08 科研动态 0

近日，西安交通大学材料学院材料强度组武海军教授与同济大学研究团队在铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷中创新性地构建了一种具有准同型相界（MPB）特征的扩散型PPB相界，用于协同优化压电系数及其温度稳定性。相关研究成果发表在《自然通讯》上。

压电陶瓷可以实现机械能和电能的转换，赋予了机电设备优异的能量转换特性。MPB附近的高介电常数和高压电系数使得锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷主导了当前压电材料与器件的国际市场。为响应环保和可持续发展的号召，开发具有竞争力的无铅压电替代材料迫在眉睫，新型环境友好型无铅压电陶瓷已然成为当前高技术新材料的研发热点。在众多著名的无铅压电陶瓷中，KNN基陶瓷因兼具良好的压电性能和高的居里温度而备受关注。

近二十年来，借鉴含铅PZT基陶瓷中MPB相界处高压电响应的特点，研究人员在KNN基陶瓷中成功构建了多晶型相界（PPB）并开展了大量研究工作，获得了KNN基压电陶瓷压电系数的显著改善（d33>650 pC/N）。然而，值得注意的是，PZT基陶瓷中的MPB相界本质上是一种成分驱动的相界，几乎与温度无关，而PPB相界则表现出显著的温度依赖性。该结果导致了基于PPB相界策略所开发的高压电系数KNN基陶瓷通常表现出严重的d33温度不稳定性。在实际应用中，不仅要求压电材料具备高的d33，通常在-20至140°C的温度范围内也要呈现出良好的温度稳定性。因此，如何协同优化压电系数及其温度稳定性是KNN基陶瓷实现更进一步应用的关键问题。

该研究相界的构建是通过将(Bi0.5K0.5)HfO3引入到0.97(Na0.56K0.44)NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3基质中，并同时结合织构技术来实现的，其中Bi3+和Hf4+有助于扩散型O-T相界的初步形成，而织构技术由于诱导了畴尺寸的增长进一步改善了相界的温度稳定特性。另一方面，织构技术诱导的<00l>C晶体取向和O-T相界的构建可以促进电偶极子的有效翻转，保证了高的压电响应。所开发的(0.97-x)(Na0.56K0.44)NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3-x(Bi0.5K0.5)HfO3(KNN-BNZ-xBKH)织构陶瓷不仅具有高的压电系数（d33~ 550 ± 30 pC/N），还呈现出超高的温稳定性（在25-150 °C的温度范围内变化率小于1.2%，在25-250 °C内变化率小于10%）。该工作为解决无铅压电陶瓷中高压电系数和温度稳定性不足之间的难题提供了重要思路。