铌酸钾钠基陶瓷的压电晶粒尺寸效应、电畴结构调控与优异压电物性的研究

铌酸钾钠基陶瓷因其具有高的居里温度和较好的压电性能而近年倍受关注，但作为实用的高性能无铅压电材料，目前存在着压电活性偏低、温度稳定性较差等亟待解决的问题。本项目拟通过研究铌酸钾钠基陶瓷的压电晶粒尺寸效应与电畴结构对压电物性的调控规律和机制，确立同时实现强压电活性和良好温度稳定性的有效措施。将制备一系列组分、晶粒尺寸不同的高致密度陶瓷样品，认识压电性能随晶粒尺寸的变化规律；探讨晶相和微观组织对电畴结构的影响，研究电畴结构、介电性质和压电性能之间的关系，阐明电畴结构对压电性能的调控原理；通过提升正交/四方相变温度和拓宽两相共存温区，改善温度稳定性；进一步优化组分和工艺，最终研制出具有优异压电物性（压电活性指标d33高达600 pC/N、在-60oC至150oC范围性能稳定）的铌酸钾钠基陶瓷。项目实施将加深对铌酸钾钠基陶瓷的压电物性规律与机制的认识，获得低成本制备高性能无铅压电材料的工艺技术。

KNN基陶瓷是一类很有潜在应用价值的无铅压电材料，但存在着压电活性偏低、性能稳定性欠佳的问题。本项目基于压电晶粒尺寸效应和电畴结构对压电性能及其稳定性的影响的探索思路，开展了KNN基陶瓷的组分、制备、微观结构和物理性质、物理现象和相关物理机制的研究。获得了关于电畴结构对压电活性、压电性能稳定性影响的规律性认识，得到了一些良好性能的KNN基无铅压电陶瓷材料。. 研究发现，组分、结晶相和晶粒尺寸对极化KNN基陶瓷的电畴结构有着很大的影响。(1) KNLN组分陶瓷随Li含量变化而呈现不同特征的电畴结构。与四方相相比，正交相的电畴结构更稳定，压电性能的时间稳定性也更好。极化KNLN陶瓷和极化KNLNT陶瓷的对比研究发现，两者的电畴结构存在着显著的差别，含Ta的组分陶瓷的压电性能具有更好的热稳定性。(2) 小晶粒通常呈现一些互相平行的、条纹状的简单电畴图案，而大晶粒的电畴图案则可能比较复杂、会存在水痕状的180o电畴。小晶粒的KNN基陶瓷具有电畴结构稳定、抗老化性良好的特点。研究结果对于研制兼具优异压电性能的KNN基无铅压电陶瓷材料是一个重要线索。. 考察了晶粒尺寸对KNN组分陶瓷、KNLN组分陶瓷的压电系数d33值的影响。KNN基陶瓷与BaTiO3陶瓷相比，压电晶粒尺寸效应较弱，d33值随晶粒尺寸的变化较小。热压烧结制备的小晶粒的KNLN组分陶瓷的正交-四方相变温度受退火处理条件的影响非常大。. 发现了“Sb掺杂KNN基陶瓷的介电弛豫频率具有显著地低于未Sb掺杂的KNN基陶瓷的介电弛豫频率”的物理现象，并给出了合理的机制解释。. 发展出了一种改进的两步烧结方法，可制备相对密度高于97.5%的致密KNN基陶瓷。以此得到了d33值达436 pC/N的KNLNTS组分陶瓷和d33值为353 pC/N、抗经时老化性优异的KNLNTS组分陶瓷。此外，还利用普通烧结方法制备了室温下呈现菱形相-四方相两相共存状态的0.9625KNLNTS-0.0375BNKZ组分陶瓷，其d33值高达460 pC/N。这些性能数据代表着目前国内外有关KNN基无铅压电陶瓷材料研究的前沿进展。