钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷压电性能增强机理

Electric field-induced strain materials are key materials for preparing micro-drives, actuators and other devices, which could produce strain under high electric field. Recently, lead-free piezoelectric ceramics have been studied extensively, as an alternative for lead-based materials, which raise health and environmental concerns. Recent researches have shown that a high electric-field-induced strain of sodium bismuth titanate (BNT)-based ceramics near the normal ferroelectric-to-ergodic relaxor (FE-to-ER) transition could be obtained by appropriate doping. Therefore, this project proposes to modify the Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3-BaTiO3 (BNKT-BT)-based system by ion doping, making use of the coupling effect of the matrix with Morphotropic Phase Boundary (MPB) composition and Polar Nano-Regions (PNRs) to obtain large electric-field-induced strain. In addition, through acceptor (or donor) doping, enhanced electric-field-induced strain and its internal mechanism for modified-BNKT-BT system could be investigated by atmosphere sintering, heat treatment, poling,aging and texture method. On the basis of these, we would investigate the characteristics of BNKT-BT based relaxor ferroelectric as A-site composite perovskite structure, and the coupling mechanism of between PNRs and matrix, understand the relationship between structure and properties of the relaxor ferroelectric materials, and provide the basic principle for the development of high-performance lead-free piezoelectric material.

场致应变材料是制备致动器、微型驱动器等器件的核心材料，主要利用其在较高电场下产生应变的功能。而目前迫切需要发展无铅压电陶瓷以解决含铅电子陶瓷的污染。研究表明钛酸铋钠（Bi0.5Na0.5TiO3）基弛豫铁电陶瓷在“铁电-弛豫”相变处可获得较高的场致应变性能，因此本项目提出以离子掺杂手段对Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3-BaTiO3（BNKT-BT）基体系进行改性，使处于准同型相界（MPB）的组分试样与纳米极性微区（PNRs）的耦合效应得到充分的发挥，获得大的场致应变；利用受/施主离子掺杂导入“缺陷偶极子”，通过气氛烧结、热处理、老化、极化和织构化等手段进一步增强场致应变效应。在此基础上，揭示A位复合结构的BNKT-BT基材料弛豫态的特征以及PNRs与基体的耦合作用机制，提高对于弛豫铁电体材料结构与性能关系的认识，为发展我国高性能无铅压电材料提供原理性支持。

场致应变材料是制备致动器、微型驱动器等器件的核心材料，主要利用其在较高电场下产生应变的功能。而目前迫切需要发展无铅压电陶瓷以解决含铅电子陶瓷的污染。研究表明钛酸铋钠（Bi0.5Na0.5TiO3）基弛豫铁电陶瓷在“铁电-弛豫”相变处可获得较高的场致应变性能，因此本项目研究了：1）研究了不同离子掺杂A/B位对处于准同型相界附近钛酸铋钠基陶瓷场致应变性能的影响，揭示了弛豫态钛酸铋钠基陶瓷的特征、以及PNRs与基体的耦合作用机制；2）采用织构化手段、利用缺陷偶极子的增强效应，进一步优化了钛酸铋钠基陶瓷材料的场致应变，获得了超高的场致应变性能；3）研究了通过可控的手段获得不等价离子掺杂形成缺陷偶极子，提升了其他体系的场致应变性能。.通过织构化工艺制备了Sr2+和Nb5+掺杂的<001>织构化的钛酸铋钠基陶瓷，织构度达到 80%。利用钛酸铋钠体系中A位元素烧结挥发产生的空位、和A/B位的不等价掺杂而形成的缺陷偶极子并结合老化极化工艺，制备出高择优取向、高性能的钛酸铋钠基陶瓷材料，场致应变可达到 0.1%@10 kV/mm@1 Hz，为目前这一体系报道的最高值，对应的d33*为1000 pm/V，迟滞小于30%。.此外，调控 K0.5Na0.5NbO3（KNN）陶瓷中缺陷偶极子的种类，通过控制掺杂组分、 烧结气氛等工艺制备具有低价态 Fe、Cu掺杂的 KNN 陶瓷，利用极化、老化工艺处理，制备了具有不同极化率缺陷偶极子的 KNN 陶瓷。通过极化率的控制，所获得的 Fe2+和 Cu+掺杂 KNN 陶瓷的场致应变可以分别达到0.41%和 0.50%@5 kV/mm，对应的大信号压电系数d33*可以达到 820 pm/V 和1000 pm/V，分别是未掺杂 KNN 陶瓷的 4 倍和 5 倍，并且在室温至 140 °C 范围内有较好的温度稳定性，且具有较小的回滞（10%-20%）。 .通过本项目的实施，揭示了弛豫铁电体中的相结构特征，以及 PNRs 和基体的耦合作用机制；获得了缺陷偶极子的可控形成工艺过程，总结出了缺陷掺杂对钙钛矿型材料中缺陷偶极子的形成和作用机理，提高了对于弛豫铁电体材料结构与性能关系的认识，为发展我国高性能无铅压电材料提供了原理性支持。