【科技自立自强】资料学院资料相变行为研讨组在无铅压电方面获得系列发展

  压电陶瓷能轻松完结机械能和电能的转化，赋予了机电设备优异的能量转化特性。准同型相界（MPB）邻近的高介电常数和高压电系数使得锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷主导了当时压电资料与器材的国际市场。为呼应环保和可持续发展的召唤，开发具有竞争力的无铅压电代替资料火烧眉毛，新式环境友好型无铅压电陶瓷已然成为当时高技能新资料的研制热门。在很多闻名的无铅压电陶瓷中，铌酸钾钠（KNN）基陶瓷因兼具杰出的压电功用和高的居里温度而备受重视。

  近二十年来，学习含铅PZT基陶瓷中MPB相界处高压电呼应的特色，研讨人员在KNN基陶瓷中成功构建了多晶型相界（PPB）并展开了很多研讨作业，获得了KNN基压电陶瓷压电系数的明显改进（d33650 pC/N）。但是，有必要留意一下的是，PZT基陶瓷中的MPB相界本质上是一种成分驱动的相界，简直与温度无关，而PPB相界则表现出明显的温度依赖性。该成果导致了依据PPB相界战略所开发的高压电系数KNN基陶瓷一般表现出严峻的d33温度不安稳性。在实践使用中，不只要求压电资料具有高的d33，一般在-20至140°C的温度范围内也要呈现出杰出的温度安稳性。因而，怎么协同优化压电系数及其温度安稳性是KNN基陶瓷完结更进一步使用的关键问题。

  近来，资料学院资料强度组武水兵教授与同济大学研讨团队在铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷中立异性地构建了一种具有MPB特征的分散型PPB相界，用于协同优化压电系数及其温度安稳性。该相界的构建是经过将(Bi0.5K0.5)HfO3引进到0.97(Na0.56K0.44)NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3基质中，并一起结合织构技能来完结的，其间Bi3+和Hf4+有助于分散型O-T相界的开始构成，而织构技能因为诱导了畴标准的增加进一步改进了相界的温度安稳特性。另一方面，织构技能诱导的00lC晶体取向和O-T相界的构建可以在必定程度上促进电偶极子的有用翻转，确保了高的压电呼应。所开发的(0.97-x)(Na0.56K0.44)NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3-x(Bi0.5K0.5)HfO3(KNN-BNZ-xBKH)织构陶瓷不只仅具有高的压电系数（d33~ 550 ± 30 pC/N），还呈现出超高的温安稳性（在25-150 °C的温度范围内改变率小于1.2%，在25-250 °C内改变率小于10%）。该作业为解决无铅压电陶瓷中高压电系数和温度安稳性缺乏之间的难题供给了重要思路。

  以上研讨成果以“Ultrahigh thermal stability and piezoelectricity of lead-free KNN-based texture piezoceramics”（“兼具超高热安稳性和高压电功用的铌酸钾钠无铅压电织构陶瓷”）为题宣布在《Nature Communications》（《天然通讯》）上。西安交通大学资料学院在读博士生杨宇轩为一起榜首作者，资料学院武水兵教授为一起通讯作者。西安交通大学资料学院孙军院士和丁向东教授、资料学院在读硕士生赵志昊、分测中心张杨高级工程师等为论文一起作者。该作业还得到了北京理工大学、北京科技大学、聊城大学、中科院上硅所等单位的支撑。本项研讨作业得到了西安交通大学剖析测试中心在聚集离子束和球差校对电镜微结构表征方面的鼎力支撑。

  此外，课题组与同济大学通力合作，挑选了具有高居里温度的0.99（（K0.5Na0.5）（Nb0.98Ta0.02）O3）-0.01（Bi（Ni0.67Nb0.33）O3）作为基础系统，并使用第三组分（Bi0.5K0.5）HfO3（BKH）进行化学改性。BKH是线性电介质，有利于在KNN基陶瓷中引进弛豫态并分散相变温度。然后经过织构技能进一步改进各向异性，以坚持杰出的压电功用。依据成果得出所制备的KNN基陶瓷不只仅具有高度的织构取向和高的居里温度，并且成功地分散并降低了TO-T相变温度，终究在室温单四方相0.96（（K0.5Na0.5）（Nb0.98Ta0.02）O3）-0.01（Bi（Ni0.67Nb0.33）O3）-0.03（Bi0.5K0.5）HfO3-3%wt NaNbO3陶瓷基质中观察到极性纳米微区（PNRs）的嵌入。这种新式的多标准结构使得KNN基陶瓷不只坚持了高居里温度（~ 365°C）和高压电功用（d33~ 331 pC/N，d33* ~ 561 pm/V），一起还获得了优异的温度安稳性，如在25°C到100°C的温度范围内，其d33仅改变2.0%（~ 10.0%到200°C），在25°C到175°C的温度范围内，其d33*仅改变4.2%（~ 9.8%到200°C）。

  以上研讨成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”（“铌酸钾钠单相压电陶瓷中构筑极化纳米微区完结宽温域的高压电功用”）为题宣布在《Advanced Functional Materials》（《先进功用资料》）上。西安交通大学在读博士生杨宇轩为一起榜首作者，西安交通大学资料学院武水兵教授为一起通讯作者。西安交通大学分测中心张杨高级工程师为论文一起作者。本项研讨作业得到了西安交通大学剖析测试中心在聚集离子束和球差校对电镜微结构表征方面的鼎力支撑。

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