钛酸铋钠基纳米晶体的可控生长研究

In the field of nanoscale engineering, the demand to piezoelectric nanocrystals with special morphologies and high converse piezoelectric properties is urgent. Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT), especially (Bi0.5Na0.5)TiO3-BaTiO3 (NBBT) with morphotropical phase boundary (MPB) are ideal candidates, which show excellent converse piezoelectric performance. However, the theories and techniques to control the growth of NBT/NBBT nanocrystals are still immature. The purpose of the project is to study the theories and techniques of controlled growth for NBT/NBBT nanocrystals. Hydrothermal and molten salt synthesis methods will be used to prepare NBT/NBBT nanocrystals. The energy transformation processes, mass transport mechanism and crystal structural transformation processes in the hydrothermal and molten salt synthesis will be studied to find out the growth mechanism of the nanocrystals, which will be used to provide the theoretical guidance to control the growth processes of NBT/NBBT nanocrystals. Hydrothermal and molten salt synthesis conditions will be controlled to control the morphologies and sizes of the final products. And then their piezoelectric properties will be studied. The relation between the morphologies, sizes, piezoelectric properties of the final products and the synthesis conditions will be studied. Then the regulation will be concluded to set up a database and used to guide the preparation of NBT/NBBT nanocrystals, which will accelerate the application of NBT/NBBT nanocrystals in the field of nanoscale engineering.

纳米工程领域需要形貌特殊且逆压电驱动性能优异的压电纳米晶体。逆压电驱动性能优异的钛酸铋钠（NBT）尤其是具有准同型相界（MPB）结构的钛酸铋钠钡（NBBT）无铅压电材料是较理想的材料体系，然而精确控制NBT/NBBT纳米晶体的形貌尺寸在理论和技术上还不成熟。本项目致力于研究NBT/NBBT纳米晶体的可控生长理论和技术。采用水热和熔盐法生长NBT/NBBT纳米晶体，研究水热和熔盐生长过程中的能量转化规律、物质传输机制以及晶体结构转变过程，确定纳米晶体的生长机制，为NBT/NBBT纳米晶体的可控生长技术奠定必要的理论基础。通过控制水热和熔盐法的生长条件来控制晶体的形貌尺寸，并表征其压电特性，得到生长条件与晶体形貌尺寸和压电特性之间的定量关系，形成标准化的NBT/NBBT纳米晶体的水热和熔盐生长参数数据库，指导生长具有特定形貌尺寸的NBT/NBBT纳米晶体，加速推进其在纳米工程领域的应用进程。

本项目研究了钛酸铋钠（NBT）以及钛酸铋钠钡（NBBT）纳米晶体的可控生长理论和技术。采用水热和熔盐法合成NBT/NBBT纳米晶体，通过控制水热和熔盐法的合成条件来控制产物的形貌尺寸，得到合成条件与产物形貌尺寸的对应关系，为建立NBT/NBBT纳米晶体水热和熔盐合成的小型数据库打下坚实的基础，为NBT/NBBT纳米晶体的可控生长提供可参考的标准化工艺参数。研究水热和熔盐合成过程中的能量转化规律与物质传输机制，确定纳米晶体的生长机制，为NBT/NBBT纳米晶体的可控生长技术提供必要的理论指导。获得NBT/NBBT纳米晶体形貌尺寸与生长条件之间的定量关系，包括熔盐种类的比例、原料比例、反应温度、反应时间等，通过数据积累逐步构建 NBT/NBBT 纳米晶体的熔盐生长参数数据库；实现了NBT/NBBT纳米晶体的可控生长，通过调整生长参数精确控制其形貌尺寸和压电特性。NBBT微米片具有优良的压电响应特性，室温下其在5 kV/mm的电场作用下的应变量高达0.4 %，相当于电场诱导逆压电效应值达到800 pm/V。这种大的压电响应值与电场诱导相变过程中出现晶体结构和电畴结构的转变高度相关，具有极高压电响应的NBBT微米片适用于与有机聚合物复合制备柔性可伸缩的压电器件，比如能量采集系统和微纳机电系统。以NBT/NBBT纳米晶体为模板籽晶，获得的具有MPB结构的NBBT织构陶瓷逆压电驱动性能高于1000pm/V；将有利于推动无铅压电陶瓷材料体系的实用化进程。