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通過(guò)準(zhǔn)同型相界調(diào)控獲得高應(yīng)變性能的無(wú)鉛壓電陶瓷
來(lái)源:https://doi.org/10.1002/adfm.202202307 | 作者:雋思半導(dǎo)體設(shè)備部 | 發(fā)布時(shí)間: 2022-06-17 | 1073 次瀏覽 | 分享到:

壓電致動(dòng)器精度高、響應(yīng)速度快，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、微電子、油氣勘探和航空航天等領(lǐng)域。這些壓電器件通常需要在很寬的溫度范圍內(nèi)（室溫-高溫）工作，且要求其同時(shí)具有大電致應(yīng)變和低應(yīng)變滯后。目前應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷主要是鉛基材料，但是由于鉛對(duì)人體和環(huán)境有危害，因此開(kāi)發(fā)高性能無(wú)鉛壓電材料迫在眉睫。

鈦酸鉍鈉（Bi0.5Na0.5TiO3，BNT）基壓電陶瓷具有場(chǎng)致應(yīng)變大、居里溫度高的優(yōu)點(diǎn)，因此成為最有潛力的候選材料之一。目前主要有兩種方法提高BNT基材料的壓電性能，一種是通過(guò)化學(xué)摻雜構(gòu)筑準(zhǔn)同型相界（MPB），降低能壘，從而促進(jìn)極化反轉(zhuǎn)和延伸獲得大電致應(yīng)變；另外就是通過(guò)破壞長(zhǎng)程鐵電有序，產(chǎn)生弛豫態(tài)，從而獲得較低的應(yīng)變滯后。盡管如此，在寬溫域內(nèi)同時(shí)獲得高應(yīng)變和低滯后的BNT基壓電陶瓷鮮有報(bào)道。

對(duì)此，西安交通大學(xué)婁曉杰課題組與合作者通過(guò)弛豫-鐵電相場(chǎng)模擬和合理成分設(shè)計(jì)，制備了BNBT-KNLNS3（BNBT作為基元，KNLNS鐵電相作為摻雜組元）陶瓷。該陶瓷在很寬的溫度區(qū)間（25~125 °C）具有大應(yīng)變（0.32~0.51%）和低應(yīng)變滯后（最低僅為~11.1%）的優(yōu)異壓電性能。BNBT-KNLNS3的高性能可歸因于在電場(chǎng)作用下弛豫到鐵電的轉(zhuǎn)變，以及由四方相和菱形相組成的MPB的存在有效地降低了弛豫到鐵電轉(zhuǎn)變的能壘，嵌入在弛豫基體的一小部分鐵電態(tài)促進(jìn)了弛豫到鐵電的可逆轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴隨極化反轉(zhuǎn)和延伸，最終使BNBT-KNLNS3陶瓷在寬的溫度范圍下呈現(xiàn)出低滯后的大應(yīng)變。

以上研究成果以《通過(guò)準(zhǔn)同型相界調(diào)控獲得高應(yīng)變性能的無(wú)鉛壓電陶瓷》（High-Performance Strain of Lead-Free Relaxor-Ferroelectric Piezoceramics by the Morphotropic Phase Boundary Modification）為題發(fā)表于國(guó)際材料領(lǐng)域期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。論文第一單位是西安交大前沿院和金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，第一作者為李堂源博士，通訊作者為前沿院婁曉杰教授、王棟教授和東南大學(xué)李玲龍副教授。