BNT基无铅压电陶瓷的低场诱发形变性能调控

Lead-free piezoceramics have drawn much attention due to the increasing concern about the toxicity of Pb in traditional Pb(Zr,Ti)O3-based ceramics. Bi0.5Na0.5TiO3-based lead-free piezoceramics exhibit ultra large electric-field-induced strains, and thus are considered as the promising candidate for lead-free piezoactuator applications. However, the polarization fields (Epol) of BNT-based samples are relatively high and only high electric field can give birth to the large strains. This drawback blocks the actual application of this kind of ceramics and is of great necessity to be overcome. This study aims to analyze the underlying mechanism of the above problem and to improve the property of electric-field-induced strain (S-E) under low electric field. At first, a relationship will be established between the composition, phase transition temperature and S-E behavior. Then, two methods comprising the construction of Relaxor/Ferroelectric composite and doping of aliovalent cations will be conducted to decrease the Epol (~2.5kV/mm) while keeping relatively high d33* (Smax/Emax ~650pm/V) at the same time. It is expected that the current study will pave the way for the actual application of BNT-based lead-free piezoceramics.

随着人类社会对环境问题的日益关注，环境友好型无铅压电陶瓷的研究逐渐成为热点。Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基无铅压电陶瓷以其在电场驱动下超大的应变特性非常有潜力应用于无铅压电陶瓷驱动器。但是该类陶瓷存在着较高的极化电场(Epol)即大应变需要在高的驱动电场下才产生，这个不足成为该类陶瓷实用化进程中亟待解决的问题。本课题将探索这其中所存在的内在机理，并致力于解决这个缺点。首先，建立组成相、相变温度与场致应变性能之间的内在联系，分析三者之间的变化规律。然后，在此基础上通过构建弛豫体/铁电体复合结构和非等价离子掺杂两种手段来降低该陶瓷的Epol，致力于在较低的Epol (~2.5kV/mm)下获得高逆压电常数d33* (Smax/Emax ~650pm/V)。本课题的实施将有助于推进BNT基无铅压电陶瓷的实用化进程，同时对无铅压电陶瓷的发展具有重要参考意义。

压电驱动器以其控制精度高、响应速度快、输出诱发力大、高频率响应等特点大量应用于光学系统、精密制造、汽车零部件等领域，具有巨大的市场。传统的压电驱动器陶瓷都是铅基材料，在生产、使用和废弃过程中，对环境存在一定的影响。因此，无铅压电驱动器陶瓷得到了人们的青睐。BNT基陶瓷具有场致应变大、输出力大和耐疲劳等优势，在目前热门的三种无铅压电材料当中，非常适合于作为驱动器原材料。但是该类陶瓷存在着较高的极化电场(Epol)即大应变需要在高的驱动电场（~5kV/mm）下才产生，高于通常的驱动电场（2-3kV/mm）。这个不足成为该类陶瓷实用化进程中亟待解决的问题。本课题致力于解决该问题，研发低场下驱动性能优异的BNT基陶瓷，具体指标为：极化电场Epol~2.5kV/mm，逆压电常数d33* (Smax/Emax) ~650pm/V。.在项目的实施当中，我们首先揭示了BNT基陶瓷组分与相变温度、场致应变性能的关系，然后通过调控晶粒尺寸获得了性能优异的材料（E~2kV/mm，Smax/Emax~1000pm/V），该陶瓷具有国际领先的性能水平，圆满达到项目预定目标。基于该类材料，进一步开发了其低温烧结技术和流延叠层共烧工艺，制备得到了BNT基无铅压电驱动器，在240V的驱动电压下，可以实现0.20%的大位移输出。相比于国际同类水平，同样行程下，驱动电压降低了33%。另外，我们还对目前广泛使用的Pb基驱动器陶瓷进行了一些研究，取得了实用化的结果。.本项目发表SCI收录的论文6篇，与他人合作发表1篇；申请专利3项。培养研究生2名，其中1名已经毕业。