基于偏转极化的SrTaO2N无铅压电陶瓷的研究

In order to enhance the piezoelectric properties of lead-free ceramics, the method of conventional composition-driven targetting in the morphotropic phase boundary is litimed. The novel method and new mechanism are required to explore to guide the investigation and development of high-performance lead-free ceramics. Focusing on lead-free SrTaO2N ceramics, this project will unveil the relationship between piezoelectric properties and tilting polarization mechanisms via materials design. On this basis, the effect of polarization mechanism will be studied combining with the theoretical calculation. Accordingly, the theoretical model of the polarization can be established and the properties of the materials can be improved. The inherent law of the tilting polarization, crystal structure, solid-solution composition and piezoelectric properties will be clarified to provide important theoretical fundamentals and experimental schemes for materials design and selection of lead-free ceramics for piezoelectric applications.

采用传统的组分驱动寻找准同型相界的研究方法提升无铅压电陶瓷性能的空间十分有限，亟需探索新方法和新机制指导高性能无铅压电陶瓷的研究和开发。本项目以SrTaO2N无铅压电陶瓷为主要研究对象，通过材料设计揭示材料的压电性能与晶体结构、偏转极化机制之间的内在关系和演变规律；在此基础上，结合理论计算深入研究偏转极化机制，建立极化理论模型和提升材料压电性能，揭示偏转极化机制与晶体结构、固溶组分、压电性能之间的内在相关性，为新型无铅压电材料的设计、筛选和制备提供重要的理论基础和实验方案。

本项目首先通过新型化学反应，以SrCO3和TaN为原料在无需氨气气氛下合成了SrTaO2N粉体，深入研究了SrCO3-TaN的反应机理和产物的化学成分。然后结合放电等离子烧结和氨气气氛退火，制备出SrTaO2N无铅压电陶瓷并研究其陶瓷压电性能与钙钛矿型氮氧化物晶体结构与极化机制之间的内在联系。此外，还将上述的化学反应扩展，制备了BaTaO2N和SrNbO2N钙钛矿型氮氧化物粉体。主要研究结果如下：.（1）以SrCO3和TaN为原料，通过分解的CO2与TaN的氧化还原反应在氮气气氛下合成了SrTaO2N粉体，并探讨了反应温度对物相演变的影响。SrTaO2N产物的粒径小于原料TaN的粒径（18.3微米），在1200度的热处理条件下SrTaO2N平均粒径为6.6微米，获得了粉体颗粒细化的效果。.（2）通过放电等离子烧结实现了SrTaO2N陶瓷的低温致密化，但后续的氨气气氛退火处理中发现较致密的陶瓷块体无法完全恢复原始的颜色。相对致密度低于85%能够恢复陶瓷外观颜色与化学组分，研究了材料压电性能与晶体结构极化机制之间的关系，测得压电常数为25pC/N。.（3）分别以BaCO3-TaN和SrCO3-NbN为原料，探讨并对比了反应机理，最终在1200度和1300度氮气气氛下合成出了BaTaO2N和SrNbO2N粉体，其平均粒径分别为10.2和2.0微米。