铌酸钠钾基固溶体两相共存区特征和压电性能调控研究

铌酸钠钾（Na0.5K0.5NbO3（NKN））基固溶体在两相（四方-正交）共存区具有优良的压电性能，明确两相共存区的来源（多晶相变行为（PPT）/准同型相界（MPB））和两相共存区相/畴结构是改善体系压电性能的关键。本项目拟以NKN基固溶体为研究对象，首先分析第二组元（铁酸盐、钛酸盐和钽酸盐）的晶体结构、离子价态和含量对固溶体的晶胞参数、容忍因子和相变特征等的影响，根据其结构演化探寻两相共存区源于PPT还是MPB；其次分析两相共存区的相结构（混合相还是低对称相）和畴结构，确立铁电畴与两相共存区大小和压电性能的关系；最后研究第二组元成分与两相共存区相/畴结构及材料压电性能之间的内在联系，以此调控铌酸盐体系的压电性能。

铌酸钠钾(NKN)基陶瓷由于具有优良的压电性能、较高的居里温度、较低的密度等特性而受到广泛地关注。但是在开发过程中有三个问题没有清晰地回答：1）在NKN固溶体在室温总呈现正交-四方共存结构，与第二相的晶体结构没有关系，这个相共存起源于准同型相界(MPB)还是多晶相转变(PPT)行为，为什么？2）如何发展NKN粉体的纳米化以促进陶瓷的烧结稳定性？3）结构、相变和点缺陷如何影响NKN的电学性能？针对以上三个问题，开展了NKN基固溶体的结构和电学性能之间的研究。取得成果有：1）采用变温XRD技术对NKN和NKN基固溶体的结构演化进行了仔细的研究，结合晶胞参数的变化，确定了NKN基固溶体在室温下的相共存源于PPT行为，并且是由晶格化学压力造成的。该结果为NKN固溶体相结构的设计提供了理论依据。2）研究了机械合金化方法和改进固相合成方法制备NKN纳米粉体的过程，采用机械合金化方法配合低温煅烧可以在很短时间里制备70纳米左右的NKN粉体，采用改进固相合成方法可以通过煅烧温度控制粉体尺寸从20-60纳米变化，粉体的结构随尺寸的增加有四方相转变为正交相。该方法为大规模、低成本制备NKN基纳米粉体提供了指导。3）发现了在吸潮的NKN素坯中存在着多个介电弛豫过程，这些过程与水分子和NKN颗粒表面的状态和缺陷有关。其中由渗流效应引起的介电弛豫将NKN的介电常数提高近4个数量级。介电性能与含水量有着密切关系，素坯重新吸潮以后巨介电性能会重现。这个发现为回答了为什么NKN陶瓷在室温测试时常常伴随着一个巨大的介电弛豫，同时使其有望用在湿敏传感器领域。4）研究了NKN固溶体(第二组元BaTiO3、Bi0.5Na0.5TiO3、BaZrO3等)的铁电-相变行为、介电温度稳定性，获得了能在300摄氏度使用的电容器陶瓷；并重点研究了这些固溶体高温介电弛豫和载流子的输运，氧空位的跳跃对高温介电弛豫其主要作用，为这些材料缺陷调控和使用过程中的老化行为提供了依据。5）研究了BaTiO3基的压电和电致应变性能，获得了具有较高温度稳定性（~370K）和较高压电常数（~420 pC/N）的陶瓷组分；采用阻抗谱、普适介电弛豫模型和肖特基势垒模型研究了巨介电陶瓷CaCu3Ti4O12的介电和晶界行为并提出了改善晶界的方法，开发出了能应用于低压领域的双功能电容-压敏材料。