铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相界调控及其温度安稳性研讨
Phase Engineering and Thermal Stability of (K,Na)NbO3-based Piezoceramics
作 者：刘庆
辅导教师：李龙土
培育院系：资料学院
学 科：资料科学与工程
读博感言：阳光总在不懈的坚持和尽力之后
研讨布景/选题含义/研讨价值
压电资料是一种联络电能和机械能的资料，大规模的运用在各个范畴，如无损检测、滤波器、驱动器等。锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3，PZT)系统是当时研讨最老练且运用最为广泛的资料系统，但是，高达60%质量分数的含铅量让该资料不可避免地带来污染问题，对环境和人类健康发生继续要挟。这些年以来，人类社会可继续开展和环境保护的要求越来越激烈，这让压电陶瓷无铅化势在必行。寻觅对环境友好的无铅压电资料已成为当时国内外炽热的研讨范畴之一。其间，KNN基无铅压电陶瓷被认为是最具有潜力代替铅基陶瓷的资料之一而备受广泛重视。
本研讨从当时提高KNN基陶瓷功能最首要的手法—相界调控动身，以求制备出功能上可比美商用铅基陶瓷的KNN基陶瓷，探求了约束KNN基陶瓷运用的温度安稳性较差这一明显缺陷的处理手法。在此基础上，探求了KNN基陶瓷功能和温度安稳性增强较为深层次的原因，总结归纳了其间的增强机制，为开展兼具杰出压电功能及运用可靠性的新式压电资料供给参阅，然后进一步推进无铅压电陶瓷的开展和运用。
首要研讨内容
1. 研讨了能带来“软性行为”和“硬性行为”的烧结助烧剂MnO2对KNN基无铅压电陶瓷的压电功能和温度安稳性进一步优化提高的机制。此处使用变温电滞回线和变温压电力显微镜等先进表征手法，提醒了MnO2助烧剂对该资料系统功能提高的较为深层次的原因。发现MnO2作为助烧剂可完成压电呼应在全体温度规模的提高，这种不依靠于多晶型相变效应的功能提高关于完成高且热安稳的压电呼应至关重要。
2. 探求了完成KNN基陶瓷功能和温度安稳性一起提高的新途径。此部分作业的中心思想是经过构建具有较宽温度区间的弥散多晶型相变来完成功能在较宽温度规模内的提高，与此一起让陶瓷在相变温度处功能改变的剧烈程度得到平缓。根据上述考虑提出了聚合R-O和O-T相变来构建宽温度规模的R-O-T相变的聚合机制；进一步的，探求了弥散相变的构建方法、陶瓷相变的弥散成因及其影响，在KNN基陶瓷中别离进行了弥散的O-T相变和R-T相变的实例探求，取得了功能优异且兼具有用含义温度安稳性的KNN基陶瓷。
3. 研讨了多晶型相变之外的功能和温度安稳性提高的新机制。Li和Sb对错常常见的掺杂剂，都具有下降相变点温度的作用，其间Sb的电负性更强，对KNN具有晶格软化的作用。引进不同含量组合的Li或Sb来完成了具有相同或近似的相变温度点但结构参数却存在差异的KNN基陶瓷。经过对具有不同掺杂量组合的Li和Sb的KNN基陶瓷相结构、电学功能和温度安稳性的比照研讨，清晰了晶格软化和晶胞畸变下降形成的结构易变性可在整个温度规模内提高压电呼应。提醒了在KNN基陶瓷中呈现十分高的d33绝不仅仅依靠多晶型相变效应，而是结合了组分引起的晶格软化和晶胞畸变下降形成的结构易变性的归纳作用的效果。
图 (a)、(b)别离是不掺Mn和掺Mn的样品在不同温度下1 Hz和4 kV/mm条件下测验的电滞回线。可以精确的看出，整个温度规模内，掺Mn样品体现出了更为方正的电滞回线和更高的剩下极化Pr，这反映了掺Mn样品能在全温度规模内坚持更好的铁电性有关。
多个微观区域相变可叠加完成具有较宽的温度规模内的微观相变，然后完成较大的且随温度动摇较小的压电呼应。左图粗略地描写相变弥散前后的压电呼应和自由能曲线随温度改变联系。在本作业中，陶瓷部分相变点在空间散布的广泛程度被调制到了合理较高的程度，由此形成的微观弥散相变也被移动至了被重视的规模内，然后完成了具有优异温度安稳性的高压电功能。
左图展现了关于背向回转畴增加对单极应变增强的机制。在加电场时，随机取向的电畴会沿着晶体结构所答应方向中的最附近电场方向摆放。当去掉电场时，因为内部电场等原因，那部分被称为背向翻转畴的高能态电畴会回转到其他方向。可逆的畴滚动对应变具有很大的奉献。因而，在较小的电场取得的较高的d33*可归因于较高份额的高活性的背向回转畴的存在和更低的均匀矫顽场。
首要立异点
1. 引进MnO2作为助烧剂可一起发生软性和硬性的掺杂作用，发现适宜含量的MnO2掺杂可进一步改进KNN基陶瓷的功能和温度安稳性。
2. 根据弥散的多晶型相变理论，规划并制备出逆压电系数d33*在20至100 ℃内可维持在640 pm/V ±6 %的KNN基陶瓷和压电系数d33在20至80 C内坚持在400 pm/V±10%的KNN基陶瓷。
3. 使用Li和Sb元素共掺杂取得了相变温度挨近但结构参数不同的KNN基陶瓷，取得了d33> 500 pC/N的压电功能，提醒了晶格软化提高压电功能的机理。
代表性立异效果
1.Liu Q, Zhang Y, Gao J, et al. High-performance lead-free piezoelectrics with local structural heterogeneity. Energy & Environmental Science, 2018, 11: 3531-3539.
2.Liu Q, Li J-F, Zhao L, et al. Niobate-based Lead-Free Piezoceramics: a Diffused Phase Transition Boundary Leading to Temperature-Insensitive High Piezoelectric Voltage Coefficients. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6: 1116-1125.
3.Liu Q, Zhang Y, Zhao L, et al. Simultaneous Enhancement of Piezoelectricity and Temperature Stability in (K,Na)NbO3-based Lead-Free Piezoceramics by Incorporating Perovskite Zirconates. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6: 10618-10627.
作者：刘庆
图片：刘庆
修改：清华大学研讨生院 吴佳瑛 李文
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