零膨胀高性能钙钛矿型压电陶瓷材料的制备与性能研究

以零膨胀高性能钙钛矿型压电陶瓷材料为总体目标，高Tc压电功能材料为中心，负热膨胀、零膨胀调控、高温压电性能及相互作用为研究主线，通过多种化学方法合成A、B位替代的单相晶态粉体及制备高密度陶瓷体，研究晶体结构、零膨胀及压电相关性能。获得功能基元参数自发极化（Ps）、键长、键角、BO6、AO12多面体等关键结构参数，及在变化温度场下压电、铁电、畴热稳定性、相转变等高温压电材料相关物理性能。通过PbTiO3负热膨胀与合适元素替代控制压电材料热膨胀性能，并得到在宽温度范围仍具有零膨胀优异特性的高性能压电陶瓷材料。研究功能基元自发极化、电子杂化作用、元素电子结构等物理因素在压电性能、热膨胀行为等方面的导向作用与交互机制，探讨具有零膨胀及优异压电性能的内在作用机理，达到可控制备零膨胀高性能压电晶态功能陶瓷的目的。该项目研究将有利于加深对钙钛矿型晶态材料的热学、微观结构、多功能特性等方面的本质认识。

本项目以零膨胀高性能钙钛矿型压电陶瓷材料为总体目标，以功能基元、负热膨胀、零膨胀调控、高温压电性能及相互作用为研究主线，研究功能基元自发极化、电子杂化作用、元素电子结构等物理因素在压电性能、热膨胀行为等方面的导向作用与交互机制，探讨具有零膨胀及优异压电性能的内在作用机理。主要研究工作集中在以下几个方面：1、实验法电子密度研究化学成键——PbTiO3-BiFeO3高晶格畸变电子密度及成因。巨大晶格畸变的起因于功能基元BO6八面体及AO12十四面体内Pb/Bi-O2及Ti/Fe-O之间的强烈杂化。2、高温中子衍射原位研究PbTiO3基化合物功能基元及可能的负热膨胀机理。采用中子衍射及同步辐射研究BO6八面体及AO12十四面体功能基元随成分及温度的变化，功能基元自发极化与NTE之间具有强烈的耦合关系，进一步揭示了铁电性材料负热膨胀的本质。3)热学新现象——尺寸效应引起强烈负热膨胀到正膨胀反常转变。该反常转变由功能基元铁电性削弱导致。4、新物理概念——自发铁电热致收缩。该物理概念是铁电体及NTE领域新的物理概念，有利于调控铁电及NTE性能。5、负热膨胀的第一性原理计算。6、利用功能基元设计钙钛矿型高温压电材料。采用铁电活性弱且离子半径大的离子Zr取代，降低功能基元的极化，进而降低晶格畸变，有利于提升铁电畴反转能力，得到了高温压电材料如PbTiO3-PbZrO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3。7、功能基元设计优异铁电特性薄膜材料。通过控制BO6八面体及AO12十四面体功能基元铁电活性，引入极化能力强且没有变价特性的Zn离子，提升功能基元的极化值，得到具有优异高极化、低漏导的铁电薄膜材料Bi(Zn,Zr)O3-PT；此外，得到温度影响小的高Tc 0.2Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.8PbTiO3铁电薄膜。以上研究成果发表在J.Am.Chem.Soc., Phys.Rev.Lett., Sci.Rep.等期刊上。.通过本项目资助顺利地完成了预期设定的研究目标，同时也发现了一些新的现象及新的物理概念，利用国际上多种先进手段，包括高能同步辐射、高温中子衍射，解决了一些难点问题，尤其明确了结构基元对钙钛矿型功能化合物负热膨胀、铁电、压电等作用，本项目的研究成果为钙钛矿型多功能化合物的设计提供了结构基元基础理论知识。