铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相结构设计、微结构调控及其与电学性能的关联研究

Lead-free piezoelectric ceramics are an important functional materials with a broad potential applications, and the related researches of lead-free piezoceramics are the forefront and hot topic of materials science and engineering. Potassium sodium niobate-based ceramics are chosen to be host object and related researches aiming at two key scientific questions of “phase structure design” of the ceramics and “microstructure modification” of superfine particles are conducted, including investigating the correlation between the dopants and phase structure design to realize strengthened piezoelectric properties; synthesizing superfine particles with excellent crystal growth orientation and controllable morphology and illuminating the interrelationship of microstructure and electrical properties for purpose of property modification of low-dimensional materials; illuminating the interrelationship of phase structure as well as microstructure with electrical properties. This project can be obtained with independent intellectual property rights and excellent material system；more than three MSc and PdD candidates will be cultivated; more than 6 papers cited by SCI will be published; over one invention patent will be authorized or applied. This project is important and urgent, hoping to solve some key and basic scientific questions in development progress of potassium sodium niobate-based materials; having an important significance for the development of lead-free piezoelectric materials.

无铅压电陶瓷是具有广泛潜在应用的重要功能材料，并且是国yanjiu际材料科学与工程领域的研究前沿和热点。本项目选择铌酸钾钠基陶瓷体系，针对该类陶瓷“相结构设计”及超细颗粒“微结构调控”两个关键科学问题开展研究，具体研究内容如下：开展掺杂离子与相结构设计的关联研究，实现压电性能的增强；合成晶体生长取向度高和形貌可控的超细颗粒，建立微结构与电学性能的关联，实现低维材料的性能调控；阐明相结构以及微结构与电学性能的关联。本项目可获得具有自主知识产权且性能优异的材料体系；培养博硕士3人以上；发表SCI收录论文6篇以上，申请或授权发明专利1项以上。本项目重要、紧迫，以期解决铌酸钾钠基体系研究中的部分关键科学基础问题，对无铅压电材料的发展具有重要意义。

铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷被认为是有望取代铅基压电陶瓷的重要候选材料之一。本项目以铌酸钾钠基陶瓷为研究对象，旨在研究该类陶瓷“相结构设计”及超细颗粒“微结构调控”两方面内容，并重点围绕掺杂离子与相结构设计的关联研究、低维材料的微结构调控与性能设计以及相结构与微结构对陶瓷性能增强的作用机制三个关键科学问题展开了一系列相关研究，取得了具有意义的研究成果。通过三年的努力，取得的主要成果如下：.1..掺杂离子与相结构设计的关联研究.通过分析掺杂离子的半径、电负性以及核外电子结构对KNN晶格畸变的作用、晶格畸变与相界类型之间的关联，实现KNN陶瓷相结构的设计及相界的构建，并获得了电学性能显著增强的陶瓷体系。比如，Al,La,Ce,Sn,Hf等元素取代铌酸钾钠中的A位和B位，实现了增强的压电性能和低的介电损耗；其中Al掺杂元素使陶瓷获得了可与PZT相比拟的优异压电性能（d33~570 pC/N和kp~60%）。.2. 低维材料的微结构调控与性能设计.采用水热法合成了一系列铌酸盐、铁酸铋等具有钙钛矿结构的压铁电材料，并通过实验条件的调整，合成晶体生长取向度高和形貌可控的超细颗粒，研究微结构与性能的关联，实现了这些材料超细颗粒的微结构调控及性能设计，并阐明了晶体的生长机制。.3. 相结构以及微结构对陶瓷性能的增强作用机制.合成了一系列具有三方（R）-四方（T）相界的KNN基无铅压电陶瓷，并借助丰富的表征和分析手段，阐明相结构及微结构对陶瓷性能的增强作用机制，包括相结构的影响因素、相界的构建、电畴结构的优化、畴壁运动的效能、压电响应的物理起源等。比如，R相的形成，来自于氧八面体的剧烈形变；具有高熔点的Al掺杂的KNN基陶瓷中出现了大量纳米铁电畴，而且这些纳米铁电畴之间呈现准连续的空间排布，有利于陶瓷性能的增强。.本项目研究期间，作为第一作者或者通讯作者发表SCI收录论文5篇，EI收录论文1篇；申请发明专利1项；正在培养硕士3人。