自组装织构钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的结构与性能基础研究

钛酸铋钠(BNT)基无铅压电陶瓷是最有潜力取代铅基的材料体系，但是其压电性能仍远低于铅基陶瓷，如何进一步提高BNT基陶瓷的性能是目前迫切需要解决的问题。本课题以量子化学、固体物理、计算物理化学理论为指导，利用非平衡态热力学对Na-Bi-Ti-O-M (M=K、Nb、Ta、Ba等)多元体系进行分析和材料化学设计，采用水热法及微波水热法合成自组装织构钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，研究其热力学条件和动力学生长过程；通过探讨形核－结晶－溶解过程，揭示微波水热生长环境中外场对BNT晶粒取向、压电性能的作用机理；探讨织构结构对性能的影响；通过A、B位掺杂改性，合成取向生长的BNT基无铅压电陶瓷，研究掺杂离子对材料物相、微观结构、压电性能的影响，最终获得d33高于200pC/N的BNT基无铅压电陶瓷，从而发展一种微波水热法合成低维织构材料的新技术。

钛酸铋钠(BNT)基无铅压电陶瓷是最有潜力取代铅基的材料体系，但是其压电性能仍远低于铅基陶瓷，如何进一步提高BNT基陶瓷的性能是目前迫切需要解决的问题。本课题通过Na-Bi-Ti-O-M (M=K、Nb、Ta、Ba等)多元体系物理化学设计，确定合成条件，合成自组装织构BNT陶瓷材料，揭示了织构BNT晶体生长机理。采用原子力显微镜的压电响应显微镜观察BNT无铅压电陶瓷铁电畴。织构化BNT陶瓷具有铁电性，畴界受形貌边界影响。采用水热法合成了(1-x)BNT-xKNN (0≤x≤0.09)陶瓷粉体，系统讨论了水热合成温度、保温时间、钛源、碱度对合成材料物相与显微形貌的影响。实验结果表明：当前驱液中KOH/NaOH=1:7(摩尔分数)，碱液浓度为12mol/L，Ti4+/Bi3+=2:1，以Ti(OC4H9)4为钛源，在210℃反应24h成功水热合成了分散性好、形貌规则的(1-x)BNT-xKNN (0≤x≤0.09)陶瓷粉体，当0.04≤x＜0.05时，陶瓷的物相和形貌都发生了转变，说明陶瓷具有准同型相界，且当x=0.04时，陶瓷的压电常数d33达到最大值96pC/N。