增強壓電響應(yīng)和壓電電壓系數(shù)的新型KNN基陶瓷材

 

　　壓電陶瓷在電子科學(xué)技術(shù)中應(yīng)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(huán)境有污染的材料，PbO在燒結(jié)過程中揮發(fā)性很大，對人體和環(huán)境都造成了危害。為此研究者致力于尋找、制造不含鉛陶瓷。

 

　　KxNa1-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(jié)溫度范圍卻很狹窄，具有非化學(xué)計量性，以及致密化過程復(fù)雜導(dǎo)致了其應(yīng)用受到限制。2004年時，有研究人員利用RTGG法合成了(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3 (LF4)陶瓷，在性能上實現(xiàn)突破(壓電常數(shù)d33=416pC/N，機電耦合系數(shù)kp=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(xué)性能的方式。有研究者系統(tǒng)地研究了Ta摻雜的KNN基陶瓷，其機電耦合系數(shù)kp=0.41，機械品質(zhì)系數(shù)Qm=1400。將幾種方法合并，或許就可以起到優(yōu)勢互補的協(xié)同作用，從而增強陶瓷壓電性能。

 

　　【成果介紹】

 

　　日前，同濟大學(xué)翟繼衛(wèi)課題組在J.Am.Ceram.Soc.上發(fā)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(yōu)勢，利用RTGG法制備出了KNN基織構(gòu)陶瓷，使用兩步燒結(jié)法解決了制備KNN陶瓷過程中燒結(jié)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(xué)性能。隨后研究者對陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)，壓電性能，鐵電性能，介電性能進行了系統(tǒng)地研究。文章解釋了Ta元素的比例和織構(gòu)陶瓷壓電性能之間的關(guān)系，并探索了它與不同取向的陶瓷之間的壓電響應(yīng)的差別。

 

　　【圖文介紹】

 

　　圖一：0.99KNLN0.97-xSTx-0.01CZ 陶瓷(0.03≤x≤0.25)XRD圖像和低溫εr-T曲線(測試條件10HZ，溫度范圍-80℃-120℃)

 

　　

 

 

 

　　(A)織構(gòu)陶瓷XRD圖像;

 

　　(B)隨機取向陶瓷XRD圖像;

 

　　(C)織構(gòu)陶瓷低溫εr-T曲線;

 

　　(D)隨機取向陶瓷低溫εr-T曲線。

 

　　圖二：0.99KNLN0.97-xSTx-0.01CZ陶瓷熱腐蝕截面SEM圖像

 

　　

 

 

 

　　織構(gòu)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。

 

　　圖三：0.99KNLN0.97-xSTx-0.01CZ陶瓷的εr-T 和tanδ-T圖像(溫度范圍：25℃-470℃)

 

　　

 

 

 

　　(A)織構(gòu)陶瓷;

 

　　(B)隨機取向陶瓷。

 

　　圖四：0.99KNLN0.97-xSTx-0.01CZ陶瓷電滯回線和組成分析

 

　　

 

 

 

　　(A)10Hz情況下織構(gòu)陶瓷電滯回線;

 

　　(B)織構(gòu)陶瓷和隨機取向陶瓷Pr和Ec組成分析圖像。

 

　　圖五：0.99KNLN0.97-xSTx-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線和d33*隨電場強度變化曲線

 

　　

　　(A)織構(gòu)陶瓷單極S-E曲線;

 

　　(B)織構(gòu)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(gòu)陶瓷疇結(jié)構(gòu)示意圖。

 

　　圖六：0.99KNLN0.97-xSTx-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，0.99KNLN0.97-xSTx-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線;

 

　　(B)電場強度30kV/cm時，隨機取向0.99KNLN0.72ST0.25-0.01CZ陶瓷單極S-E曲線;

 

　　(C)織構(gòu)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(gòu)陶瓷和隨機取向陶瓷的kp-x曲線;

 

　　(B)織構(gòu)陶瓷在x=0.15和x=0.25時的d33和kp與溫度關(guān)系曲線;

 

　　(C)織構(gòu)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(jié)】

 

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，使用TGG方法和構(gòu)建多態(tài)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(diào)節(jié)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(wěn)體系，施加外電場時極化矢量更容易旋轉(zhuǎn)，因而在陶瓷材料中可以實現(xiàn)d33*為630pm/V，d33為391pC/N。晶體的定向生長增強了織構(gòu)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，εr生長速率下降。并且所有織構(gòu)陶瓷kp大于54%，當(dāng)x值為0.15時，最大值為63.3%，優(yōu)于同等條件下的LF4。這些優(yōu)異的性能均表明0.99KNLN0.97-xSTx-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)