電陶瓷中極化納米微區(qū)可實現(xiàn)寬溫域高壓電性能

近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院材料強(qiáng)度組武海軍教授課題組與同濟(jì)大學(xué)合作，在前期一項研究，即在鈮酸鉀鈉(KNN)基壓電陶瓷中創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種具有準(zhǔn)同型相界（MPB）特征的擴(kuò)散型PPB相界，用于協(xié)同優(yōu)化壓電系數(shù)及其溫度穩(wěn)定性的研究基礎(chǔ)上，選擇了具有高居里溫度的0.99（（K0.5Na0.5）（Nb0.98Ta0.02）O3）-0.01（Bi（Ni0.67Nb0.33）O3）作為基礎(chǔ)體系，并利用第三組分（Bi0.5K0.5）HfO3（BKH）進(jìn)行化學(xué)改性。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上。

BKH是線性電介質(zhì)，有利于在KNN基陶瓷中引入弛豫態(tài)并擴(kuò)散相變溫度。然后通過織構(gòu)技術(shù)進(jìn)一步改善各向異性，以保持良好的壓電性能。研究結(jié)果表明所制備的KNN基陶瓷不僅具有高度的織構(gòu)取向和高的居里溫度，而且成功地擴(kuò)散并降低了TO-T相變溫度，最終在室溫單四方相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陶瓷基質(zhì)中觀察到極性納米微區(qū)（PNRs）的嵌入。這種新型的多尺度結(jié)構(gòu)使得KNN基陶瓷不僅保持了高居里溫度（~ 365°C）和高壓電性能（d33~ 331 pC/N，d33* ~ 561 pm/V），同時還獲得了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，如在25°C到100°C的溫度范圍內(nèi)，其d33僅變化2.0%（~ 10.0%到200°C），在25°C到175°C的溫度范圍內(nèi)，其d33*僅變化4.2%（~ 9.8%到200°C）。

研究選擇了具有高居里溫度的0.99（（K0.5Na0.5）（Nb0.98Ta0.02）O3）-0.01（Bi（Ni0.67Nb0.33）O3）作為基礎(chǔ)體系，并利用第三組分（Bi0.5K0.5）HfO3（BKH）進(jìn)行化學(xué)改性。（課題組供圖）