Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷的复杂畴结构

Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)-based lead-free piezoelectric materials are considered to be the most promising candidates to replace the traditional lead-based materials. Their electric domains play an important role on the performance and have the complex domain structures. However, it is so far lack of sufficient understanding and systematic research on the complex domain structure. The proposal intends to use transmission electron microscopy combined with a variety of advanced analysis methods of electronic microscopy in order to systematically investigate the relationship and influence of the morphology, phase constitution, crystal structure and oxygen octahedral tilt in complex domains of BNT-based lead-free ceramics. At the microscopic level, especially in the nanometer scale, we use the techniques of high resolution imaging and Cs-corrected electron microscopy imaging to deeply study the interface structure of complex domains so as to clarify the mechanism of transition structure in the interfacial regions. Meanwhile, we use the in situ electron microscopy to study the structure evolution of the complex domain under the applied electric field and heating condition. Based on the above results, we use the first principle calculation and phase field theory method to establish the physical image and the mathematical model of the complex domain, and thus reveal the nature of complex domain structure. This proposal will be instructive for performance tailoring in BNT-based lead-free ceramics. And it will also provide a new idea for the development of lead-free piezoelectric materials with high performance.

Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基无铅压电材料被认为最有希望取代传统铅基材料，其电畴对性能起着至关重要的影响，且具有复杂畴结构，而目前尚缺乏对复杂畴结构的充分认识和系统研究。本项目拟通过以透射电镜为主结合多种先进电子显微学的研究分析方法，系统研究BNT基无铅压电陶瓷复杂畴的组织形态、相组成、晶体结构和氧八面体倾转等方面的相互联系和影响规律。在微观层面特别是纳米尺度范围内，利用高分辨成像、球差矫正成像等电镜技术对复杂畴界面结构进行深入探究，阐明界面区域的结构过渡机制。同时，采用原位电镜技术研究复杂畴在外加电场和加热条件下的结构演变规律。在此基础上，结合第一性原理计算和相场理论等方法，建立复杂畴的物理图像和数学模型，揭示复杂畴结构的本质。通过本项目的研究，将为BNT基无铅压电陶瓷的性能调控提供理论依据和指导，并为高性能无铅压电陶瓷的发展和应用奠定基础。

Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基无铅压电陶瓷被认为是最有潜力取代铅基陶瓷的候选者之一，其性能与畴结构紧密相关。然而，目前人们对BNT基压电陶瓷的复杂畴结构认识还不充分，严重影响了其性能优化。基于以上现状，本项目以Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3二元体系为主要研究对象，采用透射电镜和相关微结构分析方法，研究了成分、相组成、晶体结构和氧八面体倾转对复杂畴分布、形态、尺寸、性质等方面的影响，得到了以下结果：1）随着第三组分的加入，畴尺寸减小并伴随出现复杂的纳米畴结构。菱方、四方铁电相减少，伪立方相增多，在一定范围内多相共存。其中，分别对应氧八面体倾转a-a-a-和a0a0c+的铁电畴与反铁电畴以无规则形状的纳米畴形式交错共存。前者纳米畴尺寸为4-8 nm，而后者则具有空间abc三个方向上的氧八面体倾转分量，纳米畴尺寸为2-3 nm。2）随着温度的升高，菱方相对应的铁电畴减少，伪立方相对应的反铁电畴增加；随着施加电场强度的增加，一定区域内的电畴具有增大融合的趋势。3）提出了一种关于氧八面体倾转体系的符号描述，构筑了复杂畴界面的结构变化模型，初步建立了复杂畴结构的物理图像。以上结果揭示了BNT基无铅压电陶瓷的复杂畴结构本质，为性能优化提供了理论依据，丰富了电畴结构理论。