铌酸锶钾基铁电陶瓷微观组织结构对其电性能的调控机理研究

It is unreported that low temperature dielectric relaxation phenomenon and defect dipoles pinning effect are studied in same ferroelectric material, although they have been extensively researched discretely. In our previous work, the dielectric-temperature characteristics and electric hysteresis loop of KSr2Nb5O15 (KSN)-based ferroelectric ceramics were examined. It was interesting to see the double dielectric peaks in the dielectric-temperature plots and pinched loops for ferroelectric characteristics. In order to investigate the relationship of ferroelectric relaxor behavior and defect dipoles pinning effect, potassium strontium niobate (KSr2Nb5O15, KSN) will be selected as a prototypical ferroelectric material in the project. Before inhibiting the abnormal grain growth (AGG) by experiment, the phase-field simulation is proposed to analyze the formation mechanism of a duplex structure in KSN ceramics. The KSN-based ceramics with different microstructures, e.g. grain size, distribution and degree of orientation, can be obtained by the advisable control of forming and sintering technology process. In addition, the effect of external condition on the electrical properties of these ceramics samples will be examined to reveal the control mechanism of electrical properties with microstructures. The results will provide theoretical and experimental basis for the development of high performance lead-free KSN-based ferroelectric ceramics.

铁电体的低温介电弛豫和缺陷偶极子钉扎效应已被广泛研究，然而这两种现象集于一种材料，并被同时研究尚未见报道。我们的前期研究表明，铌酸锶钾（KSr2Nb5O15，简称KSN）基铁电陶瓷的介电温谱曲线呈低温弛豫和“双峰”特征，电滞回线出现“束腰”形貌，并且该介电和铁电性能随着陶瓷的微观组织结构变化而发生明显改变。为了揭示介电弛豫和缺陷偶极子钉扎效应的本质联系，本项目以KSN铁电陶瓷为研究对象，采用相场法数值模拟技术研究KSN“巨型”晶粒的形成机制，通过工艺手段控制KSN基铁电陶瓷微观组织结构，制备一系列不同晶粒尺寸、分布和取向程度的致密KSN基陶瓷；通过分析电性能随外界条件（温度、电场等）的变化规律，揭示KSN基陶瓷微观组织结构对其电性能的调控机理。本研究不仅可以丰富铁电与弛豫铁电理论，而且能够为高性能钨青铜结构铁电陶瓷材料的制备提供理论和实验依据。

由于大长径比的铌酸锶钾（KSr2Nb5O15，简称KSN）微晶粉体相比其它钨青铜结构材料更加容易合成，使得KSN织构陶瓷得到了迅速发展。通过KSN陶瓷材料微观组织结构的设计与裁剪，可以达到调节或改变KSN陶瓷材料电性能的目的。因此本项目的主要目标是，通过调节工艺参数实现KSN 基陶瓷微观组织的设计和控制，分析不同微观组织结构KSN陶瓷电性能随外界条件的变化规律，揭示KSN 基陶瓷微观组织结构对其电性能的调控机理，为制备目标微观组织结构的高性能钨青铜结构无铅铁电陶瓷材料提供理论和实验依据。.通过本项目的实施，我们在调控KSN基陶瓷微观组织结构以及电性能等方面取得一系列进展，包括：（1）利用计算机仿真模拟与实验分析手段，研究了KSN基陶瓷形成“双晶”结构过程，结果表明：巨型晶主要是通过大尺寸初始晶粒直接吞并周围同取向小晶粒而形成的；（2）研究了Li2CO3掺杂剂对KSN陶瓷微观组织结构，结果表明：少量Li2CO3的添加可以有效阻止晶粒的异常生长和裂纹形成；当含量为8 mol%时，大晶粒表面呈现出“键盘”结构；（3）采用相场法研究了晶界能各向同性条件下模板籽晶的生长过程，结果表明：在二维空间中，当模板颗粒大于基体颗粒尺寸的3.46倍时才具有明显的生长优势，并且模板颗粒的生长速率主要由其长径比决定而非尺寸；（4）以KSN织构陶瓷为研究对象，通过相场法模拟了不同模板尺寸和含量条件下，陶瓷微观组织的演化过程，结果表明：当原料颗粒尺寸连续并满足正态分布时，晶粒生长呈线性变化趋势，有利于陶瓷的致密化；（5）提出了一种可以使针状粉体颗粒定向排布在基体中的新方法，即涂刷流延工艺，采用该方法成功合成了相对密度为96%，织构度达到0.95的KSN陶瓷；（6）探讨了KSN织构陶瓷双介电峰行为和电滞回线“束腰”现象的形成机理，结果表明：两者均由点缺陷的钉扎效应导致。本项目执行期间，共发表论文9篇，申请专利2项，培养硕士研究生2名。