铌酸钾钠基陶瓷的相界构建及压电物性研究

作     者：冷王喆 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜毅

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：压电陶瓷 KNN 掺杂 相结构 电学性能 

摘      要：压电陶瓷是一种发展潜力巨大的功能材料,已广泛应用于医疗、传感、电子通信和其他日常生活等领域的电子元器件中。铅基压电陶瓷因其优异的压电特性和温度稳定性,长期占据商业化压电材料市场。然而,随着公众对生态保护和人体健康问题的日益关注,压电陶瓷的研究开启了无铅化进程。 在诸多针对压电陶瓷的改性方法中,多晶型相界（PPB）的构建可大幅度提升无铅陶瓷的压电系数,是当前主流的改性策略。但这种方法也会导致居里温度下降,使其应用场景受到限制。现阶段,研究者们也开始寻求其他策略以进一步调控电学性能,实现居里温度和介电、压电、铁电相关电学参数的协同优化,这对于开拓压电陶瓷的应用场景具有关键意义。基于上述背景,本研究开展了关于铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷的相界构建及压电物性研究的课题,基于组分工程详细探究了陶瓷的相结构、微观特征和宏观电学性能之间的相互联系。主要的研究内容如下: （1）现有高压电性能陶瓷的居里温度通常较低,为实现压电性能和居里温度的同步改善,制备了（1-x）(KNa)(NbSb)O-x(LiBiLa)Zr O陶瓷,通过Bi、La、Zr调控相变温度,在室温下构建多晶型相界,提高压电性能;利用Li协同优化,抑制陶瓷居里温度的降低。研究表明,当(LiBiLa)Zr O的掺杂量x≥0.02时,陶瓷在室温下呈现O-T两相共存,且T相含量随(LiBiLa)Zr O的增加而增多。陶瓷致密化程度有所提高,介电损耗小于0.05。在x=0.02～0.04的范围内,陶瓷在保证较高居里温度（约为292℃）的同时,获得优异的压电系数（约为320 p C/N）。 （2）前文工作中通过构建O-T相界改善了陶瓷电学性能,稳定了居里温度和压电系数之间的平衡关系,但其压电系数仍有待进一步提高。因此,制备了（0.96-x）(KNa)(NbSb)O-0.04(BiAg)Zr O-x（FeO-InO）陶瓷。引入小尺寸的Fe和In诱导晶格收缩,调控氧空位浓度以改善极化状态,并利用(BiAg)Zr O构建PPB,共同提高KNN基陶瓷的压电性能。研究表明Fe、In可在几乎不影响居里温度的前提下,大幅降低R-O相变温度。当0.002≤x≤0.003时可诱导出O相,陶瓷相结构由R-T转为R-O-T三相共存。且微量的小尺寸Fe和In可有效抑制氧空位的产生,削弱对畴壁的“钉扎效应,实现了27.5μC/cm剩余极化及0.087%的正应变值。特别是当引入3 mol‰的Fe、In,陶瓷的压电系数从385 p C/N提升至536 p C/N。 （3）为改善陶瓷压电性能并进一步提升其介电性能,以改善换能器件的阻抗匹配,制备了（0.96-x）(KNa)(NbSb)O-0.04(BiAg)Zr O-x Ba Zr O陶瓷。通过调控陶瓷晶格畸变,并移动介电异常峰至室温,优化陶瓷电学性能。当x≤0.015时,陶瓷在室温下呈R-T两相共存,且随着x的增加,T相的c/a从1.0067降低至1.0041,剩余极化从13.9μC/cm增加至21.0μC/cm。此外,证明了双电离氧空位在晶粒、晶界处的介电弥散和导电行为中的主导作用。在1.5 mol%Ba Zr O的陶瓷中,小c/a和R-T相结构降低了极化能垒,陶瓷表现出优异的综合性能,其中压电系数d=545 p C/N、相对介电常数ε=4126、机电耦合系数k=54.1%。