钙钛矿结构无铅压电陶瓷的性能优化与可控制备研究

High-performance lead-free piezoelectric ceramics are one of the forefront and hot topic of international new materials researches. Choosing the KNN and BNT-based ceramic systems, the research will be carried out against three key scientific questions of ceramics, which are “phase structure control and piezoelectric performance”, “macro-performance improvement and microstructure characteristics”, and “performance optimization and multilevel controllable synthesis”. The research contains: synthesis of ceramics and films by solid-state, template, sol-gel method, etc.; characterization of content, lattice structure, phase transition and domain by XRD, PFM, spherical aberration correcting TEM, synchrotron-radiation, etc.; study on how the response characteristic of materials in the environmental conditions affect their structure and properties; a grasp of the mechanism of doping mechanism, phase boundary modification, multi-composition, and performance optimization; a grasp of the multi-level controllable synthesis technique and its underlying mechanism; an improvement on the temperature and processing stabilities of the lead-free piezoelectric materials; to synthesis the novel, high piezoelectric-activity lead-free piezoelectric ceramics, which have controllable performance and processing, and to design prototype devices of frequency, transduction, etc. The project is important and urgent, having significance for lead-free piezoelectric ceramics and devices; more than 40 papers cited by SCI will be published; over 10 invention patents will be authorized (or applied); more than 30 PhD or MSc students will be cultivated; to construct an international-influencing research group.

高性能无铅压电陶瓷是近年国际新材料研究的前沿和热点之一。本项目选择钙钛矿结构的KNN和BNT基陶瓷体系，针对陶瓷的“相结构调控与压电性能”、“宏观性能增强与微结构特征”、“性能优化与多层次可控制备”等三个关键科学问题开展研究；包括：采用固相法、模板法、溶胶凝胶法等技术制备陶瓷和薄膜；采用XRD、PFM、球差校正TEM、同步辐射等表征材料组分、晶格结构、相变与电畴；研究材料在外界条件下的响应特性及工艺对结构和性能的影响；掌握材料的掺杂机理、相界调控原理、多元复合和性能优化规律；掌握材料多层次可控制备原理与技术；提高材料的温度和工艺稳定性；制备出压电活性高、性能和工艺可控的新型高性能无铅压电陶瓷，并研制出频率、换能等原型器件。本项目重要、紧迫，对无铅压电陶瓷和器件具重要意义；发表高水平SCI收录论文40余篇；申请或授权获发明专利10项以上；培养博硕士30余人；建设一支国际上有影响的研发团队。

高性能压电材料在现代电子信息产业中应用十分广泛，但目前使用的压电材料主要是锆钛酸铅陶瓷和铌镁酸铅-钛酸铅单晶（铅含量占60%以上）等。由于含铅材料在制备、使用、回收和废弃的过程中，都会给环境和人类健康带来严重损害。因此，包括我国在内的多国政府已经在电气电子产业中推进了一系列无铅化的法律性规定。随着绿色环保和人类可持续发展的迫切需要，高性能无铅压电陶瓷成为近年国际新型无机功能材料研究的前沿和热点之一。本项目以钙钛矿结构 KNN和BNT基陶瓷体系为研究对象，针对陶瓷的“相结构调控与压电性能”、“宏观性能增强与微结构特征”、“性能优化与多层次可控制备”等三个关键科学问题开展研究：采用固相法、模板晶粒法、溶胶凝胶法等技术制备陶瓷和薄膜；采用XRD、PFM、球差校正TEM、同步辐射等表征材料组分、晶格结构、相变与电畴；研究材料在外界条件下的响应特性及工艺对结构和性能的影响；掌握材料的掺杂机理、相界调控原理、多元复合和性能优化规律；掌握材料多层次可控制备原理与技术；提高材料的温度和工艺稳定性；发现了相界调控新原理，通过组分设计、相界调控、多元掺杂，本项目团队所研制非织构KNN基陶瓷的压电性能（压电常数d33高达~570 pC/N、平面机电耦合系数kp~45%）已达到世界最好水平；通过组分调控、优选模板、优化流延、烧结等工艺获得了<001>c织构度高达98%，d33高达~700 pC/N, kp~76%的高性能KNN基织构陶瓷，其压电性能已达到世界最好水平；通过组分调控实现了BNT基薄膜良好的外延生长和对极化翻转的调控；掌握了变价金属离子对KNN基薄膜的影响机制和规律及KNN薄膜中的局域不均匀结构及其与高性能之间的关系; 研制了多种无铅压电原型器件。发表SCI收录论文150余篇（其中ESI高被引论文9篇）；出版英文专著1部；申请或授权国家发明专利45项（已授权20项）；举办3次国际会议、参加30多次国内外学术会议；培养2名国家级优秀青年人才；培养并授位博硕士研究生45人；建设了一支国际上有影响的研发团队，引领了KNN基和BNT基无铅压电陶瓷材料研究的新方向。