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通过准同型相界调控获得高应变性能的无铅压电陶瓷
来源:https://doi.org/10.1002/adfm.202202307 | 作者:隽思半导体设备部 | 发布时间: 2022-06-17 | 170 次浏览 | 分享到:

压电致动器精度高、响应速度快,被广泛应用于生物医学、微电子、油气勘探和航空航天等领域。这些压电器件通常需要在很宽的温度范围内(室温-高温)工作,且要求其同时具有大电致应变和低应变滞后。目前应用最广泛的压电陶瓷主要是铅基材料,但是由于铅对人体和环境有危害,因此开发高性能无铅压电材料迫在眉睫。

钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)基压电陶瓷具有场致应变大、居里温度高的优点,因此成为最有潜力的候选材料之一。目前主要有两种方法提高BNT基材料的压电性能,一种是通过化学掺杂构筑准同型相界(MPB),降低能垒,从而促进极化反转和延伸获得大电致应变;另外就是通过破坏长程铁电有序,产生弛豫态,从而获得较低的应变滞后。尽管如此,在宽温域内同时获得高应变和低滞后的BNT基压电陶瓷鲜有报道。

对此,西安交通大学娄晓杰课题组与合作者通过弛豫-铁电相场模拟和合理成分设计,制备了BNBT-KNLNS3(BNBT作为基元,KNLNS铁电相作为掺杂组元)陶瓷。该陶瓷在很宽的温度区间(25~125 °C)具有大应变(0.32~0.51%)和低应变滞后(最低仅为~11.1%)的优异压电性能。BNBT-KNLNS3的高性能可归因于在电场作用下弛豫到铁电的转变,以及由四方相和菱形相组成的MPB的存在有效地降低了弛豫到铁电转变的能垒,嵌入在弛豫基体的一小部分铁电态促进了弛豫到铁电的可逆转变,同时伴随极化反转和延伸,最终使BNBT-KNLNS3陶瓷在宽的温度范围下呈现出低滞后的大应变。

以上研究成果以《通过准同型相界调控获得高应变性能的无铅压电陶瓷》(High-Performance Strain of Lead-Free Relaxor-Ferroelectric Piezoceramics by the Morphotropic Phase Boundary Modification)为题发表于国际材料领域期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。论文第一单位是西安交大前沿院和金属材料强度国家重点实验室,第一作者为李堂源博士,通讯作者为前沿院娄晓杰教授、王栋教授和东南大学李玲龙副教授。