高压电性能无铅KNN基织构陶瓷

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       压电材料是一种具有电能和机械能相互转换的功能材料。压电陶瓷由于同时具有正压电效应（即压电陶瓷在受到外力作用时会在表面产生电荷）和逆压电效应（即压电陶瓷在外电场作用下会产生形变）而被广泛应用于换能器、传感器、驱动器和能量收集器等电子器件中。压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落，人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。殊不知在日常生活中当你在点燃香烟、煤气灶或者热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。压电陶瓷不仅在工业和民用产品上用途广泛，在军事上也有大量的应用。在过去几十年中，铅基压电材料由于其优异的压电性能占据着市场的主要份额，然而为了保护环境以及满足人类的可持续发展理念，探索具有高性能的无铅压电材料成为该领域迫切需要解决的课题。

       近日，同济大学翟继卫教授，沈波副教授与澳大利亚卧龙岗大学张树君教授合作，通过采用织构化工艺以及对铌酸钾钠（KNN）基压电陶瓷成分的设计和烧结工艺的优化制备出具有高织构度的KNN基压电陶瓷，其压电系数d33高达~700 pC/N, 机电耦合系数kp为76%，电致应变S~0.3%，同时该材料具有高的居里温度和相对优异的电/热性能稳定性。该研究发现高的压电性能主要来源于三个方面：（Ⅰ）充分利用压电晶体的各向异性设计了具有<001>取向的正交（O）和菱方（R）相共存的晶体结构，该结构具有最合适的工程畴结构，即较多的能量等价的极化矢量（Ps）数以及极化矢量和外电场方向较小的夹角θ。（Ⅱ）织构陶瓷在外电压作用下产生的高的晶格畸变是压电性能提高的本征贡献。另外，极化过程中产生的新的中间相有利于极化过程的实现。（Ⅲ）TEM和PFM表征的结果发现织构陶瓷中由于模板晶粒的引入导致的电畴尺寸的减小（纳米畴）有利于畴壁在外电场作用下的移动。该研究成果为高性能无铅压电陶瓷的设计提供了指导。相关研究成果以“Ultrahigh Piezoelectric Properties in Textured (K,Na)NbO3-Based Lead-Free Ceramics”为题发表在了Advanced Materials上。