先進陶瓷國家重點實驗室：晶粒尺寸對壓電陶瓷性能的影響

?? ? ?壓電陶瓷是一類通過壓電效應實現(xiàn)電能與機械能相互轉化的重要功能陶瓷,廣泛應用于信息傳感、醫(yī)療健康、軍工國防、航空航天等領域。至今,研究最多的壓電材料是具有鈣鈦礦結構的壓電陶瓷。

?? ? ?然而,由于PZT陶瓷中鉛的易揮發(fā)性和高毒性、人們環(huán)保意識的增強及社會可持續(xù)發(fā)展的要求,近年來,隨著對無鉛壓電陶瓷研究的投入,以鈮酸鉀鈉 ((K,Na)NbO3,KNN),鈦酸鉍鈉 (Na0.5Bi0.5TiO3, BNT),鐵酸鉍 (BiFeO3,BFO)為代表的新型無鉛壓電陶瓷在性能上有了巨大突破,成為了有望替代PZT的理想材料。時至今日,高性能無鉛壓電陶瓷應用在諸如大功率器件、多層致動器等方面所表現(xiàn)出的性能甚至優(yōu)于PZT陶瓷。

?? ? ?壓電陶瓷的介電、壓電及鐵電性能均會隨著其晶粒尺寸的改變而改變,這種物理現(xiàn)象被稱作壓電陶瓷的晶粒尺寸效應。隨著電子工業(yè)的需要和陶瓷制備技術的發(fā)展,壓電器件呈現(xiàn)微型化、薄層化和高集成的發(fā)展趨勢。壓電陶瓷的晶粒尺寸效應也受到了越來越多的關注。一些研究表明壓電性能的晶粒尺寸效應與陶瓷制備過程,如制備方法、燒結工藝等因素都有密切聯(lián)系。

?? ? ?本文對BT和PZT,以及以KNN和BNT為代表的高性能無鉛壓電陶瓷的晶粒尺寸對壓電性能影響的研究工作進行總結。同時還歸納了這些體系中晶粒尺寸的調控方法,以期其他壓電陶瓷體系的晶粒尺寸調控提供借鑒。最后,本文指出了無鉛壓電陶瓷中壓電晶粒尺寸效應研究的一些難點與挑戰(zhàn),并對未來壓電性能晶粒尺寸效應的研究方向做出展望(圖1)。

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文章內容

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?? ? ?結　論?本文全面綜述了BT,PZT,KNN和BNT 鈣鈦礦壓電陶瓷中的壓電性能晶粒尺寸效應的研究進展,系統(tǒng)地總結了不同體系中的晶粒尺寸調控方法,詳細介紹了晶粒尺寸對壓電性能的影響,并對幾種理論機制進行了闡述?？傮w看來,鐵電疇在不同體系的壓電性能晶粒尺寸效應中起著關鍵作用。同時,摻雜改性或制備工藝不同會引起材料本身的相結構、疇結構、缺陷及化學成分的改變,這些因素也會影響材料中疇的響應,從而間接對壓電性能的晶粒尺寸效應產(chǎn)生影響。雖然在不同體系中壓電 晶粒尺寸效應表現(xiàn)各異,但不可否認的是,調節(jié)晶粒尺寸是調控其壓電性能的有效手段. 深入研究相關理論機制從而推動晶粒尺寸調控工程的進步將是未來研究的熱點方向。我們希望此綜述能夠幫助相關科研工作者加深對壓電陶瓷材料中壓電性能晶粒尺寸效應的認識與理解,為進一步開發(fā)高性能壓電材料提供借鑒。參考文獻：晶粒尺寸對鈣鈦礦型壓電陶瓷壓電性能的影響?劉亦軒、李昭、湯浩正、逯景桐、李敬鋒、 龔文、王軻 Acta Phys.Sin. Vol.69,No.21(2020) 217704

?? ? ?轉載自：先進陶瓷材料

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