以准同型相界规律设计制备高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷

发展高性能无铅压电陶瓷是解决含铅电子污染问题的重要途径，为目前国际上的热点研究。铌酸钾钠(KNN)基材料具有较高的压电性能，对其进行掺杂和复合，调控其相结构可显著提高材料的压电性能。但由于压电性能受多形态相变（PPT）控制，相结构对温度有较大的依赖性，导致压电性能随温度变化而降低。如何控制材料结构、提高材料的温度稳定性是实现其应用的关键。本项目提出以准同型相界（MPB）线性组合规律为指导，对KNN材料进行设计，在改善压电性能的同时，着重提高材料的温度稳定性。具体采用T相KNN基陶瓷与R相BZCT等体系相复合，在确定各自相态的基础上，用MPB相界规律设计复合材料组分，通过相控制获得复合材料体系的MPB，以获得具有良好温度稳定性的高性能压电陶瓷，建立材料结构和性能的实验联系和相界规律，发展相应的制备技术，取得无铅压电陶瓷的创新成果，为我国发展高性能无铅压电材料提供基础。

无铅压电陶瓷是当前国际压电铁电材料研究领域的前沿和热点。本项目采用传统的电子陶瓷烧结工艺，针对铌酸钾钠基（K0.5Na0.5NbO3）和锆钛酸钡钙基（Ba1-xCaxZr1-yTiyO3）无铅压电陶瓷材料进行研究。1. 对于KNN基陶瓷，我们研究了以KN作为助烧剂降低烧结温度至1060oC，得到致密的d33达到350 pC/N 的陶瓷，研究了两步烧结法对此助烧剂烧结行为的影响，在1130/950 oC烧结制度下可以获得d33为328 pC/N，极大地降低了陶瓷的烧结温度；研究了不同的气氛下CuO掺杂KNN陶瓷的影响，在氩气中Cu2+离子被还原成Cu+离子，并由之前的占据B位变成占据A位，为铜的硬化条件提供了重要参考；研究了BNT-BKT-BT-KNN四元体系的相结构与电学性能之间的影响，当KNN含量为0.04 mol%时，由于弛豫相中纳米极化微区的形成，Smax/Emax=460 pm/V，d33仍然保持在160 pC/N；2. 对于BZCT基陶瓷，研究了ZnO和CuO等掺杂的影响，可获得的d33=603 pC/N，kp=0.56；研究了BZCT陶瓷与KNN基陶瓷之间的烧结固溶性能，烧结温度由1500℃降低至1350℃，当掺杂含量达到0.005时，d33为464 pC/N，kp值为0.44；3. 研究了R相BNT体系与T相的KNN基陶瓷之间的准同型相界，获得了二者之间的MPB，其d33=120 pC/N，Pr=39.4 uC/cm2。基于对MPB结构的认识，提出一个设计MPB的思路和原则，即在T相和R相材料之间复合可以获得真正有效的MPB。本项目建立了材料结构和性能的实验联系和相界规律，发展了相应的制备技术，取得了无铅压电陶瓷的创新成果，为我国发展高性能无铅压电材料提供基础。