作者:李敬锋等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2020/1/9 15:01:46
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研发实用性高性能无铅压电陶瓷材料的新进展

压电材料可以实现电能与机械能的相互转换,在传感器、驱动器、能量回收等领域具有非常广泛的应用。传统铅基压电材料因性能优异而占据了大部分的市场份额,但这些材料中含有大量对环境和人体有毒有害的重金属铅元素,因而无铅压电材料研究备受关注,高性能无铅压电陶瓷研发是近十多年来的重要研究方向。虽然近十多年来无铅压电陶瓷研究取得显著进展,但是如何进一步在提高其压电性能的同时改善其性能温度稳定性一直是阻碍无铅压电陶瓷实用化的难题。清华大学李敬锋课题组长期研究具有居里温度高和环境兼容性强的铌酸钾钠(简称KNN)基无铅压电陶瓷,本研究工作发现同时提升KNN基无铅压电陶瓷的压电性能及其温度稳定性的策略及其机理,将为推进无铅压电陶瓷的应用起到重要作用。

研究通过利用最常见的掺杂剂Li元素和Sb元素的不同掺杂量组合获得了具有类似的相变温度点但结构参数却存在差异的KNN基陶瓷,其室温正压电系数d33可达500pC/N,高于一般常用含铅陶瓷的压电性能,且具有较高局里温度(200°C)。高分辨透射电镜分析发现在该KNN基陶瓷中存在着纳米尺度的多层次畴结构,理论分析表明多层次畴结构可起到降低极化的各向异性的作用,从而有益于压电性能提升。通过对不同组成陶瓷样品的相结构、电学性能和温度稳定性的对比研究,揭示了晶格软化和晶胞畸变降低造成的结构柔化可在整个温度范围内提升压电响应,在KNN基陶瓷中出现的高压电响应往往是多晶型相变和晶格软化及晶胞畸变程度降低造成的结构柔化的综合作用。

该研究以“Practical High-Performance Lead-Free Piezoelectrics : Structural Flexibility Beyond Utilizing Multiphase Coexistence”为题发表于National Science Review。论文第一作者为清华大学材料学院博士生刘庆(现在电子科技大学任教),材料学院李敬锋教授和该组博士后张一弛为通讯作者。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz167

 
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