先进陶瓷国家重点实验室：晶粒尺寸对压电陶瓷性能的影响

?? ? ?压电陶瓷是一类通过压电效应实现电能与机械能相互转化的重要功能陶瓷,广泛应用于信息传感、医疗健康、军工国防、航空航天等领域。至今,研究最多的压电材料是具有钙钛矿结构的压电陶瓷。

?? ? ?然而,由于PZT陶瓷中铅的易挥发性和高毒性、人们环保意识的增强及社会可持续发展的要求,近年来,随着对无铅压电陶瓷研究的投入,以铌酸钾钠 ((K,Na)NbO3,KNN),钛酸铋钠 (Na0.5Bi0.5TiO3, BNT),铁酸铋 (BiFeO3,BFO)为代表的新型无铅压电陶瓷在性能上有了巨大突破,成为了有望替代PZT的理想材料。时至今日,高性能无铅压电陶瓷应用在诸如大功率器件、多层致动器等方面所表现出的性能甚至优于PZT陶瓷。

?? ? ?压电陶瓷的介电、压电及铁电性能均会随着其晶粒尺寸的改变而改变,这种物理现象被称作压电陶瓷的晶粒尺寸效应。随着电子工业的需要和陶瓷制备技术的发展,压电器件呈现微型化、薄层化和高集成的发展趋势。压电陶瓷的晶粒尺寸效应也受到了越来越多的关注。一些研究表明压电性能的晶粒尺寸效应与陶瓷制备过程,如制备方法、烧结工艺等因素都有密切联系。

?? ? ?本文对BT和PZT,以及以KNN和BNT为代表的高性能无铅压电陶瓷的晶粒尺寸对压电性能影响的研究工作进行总结。同时还归纳了这些体系中晶粒尺寸的调控方法,以期其他压电陶瓷体系的晶粒尺寸调控提供借鉴。最后,本文指出了无铅压电陶瓷中压电晶粒尺寸效应研究的一些难点与挑战,并对未来压电性能晶粒尺寸效应的研究方向做出展望(图1)。

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文章内容

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?? ? ?结　论?本文全面综述了BT,PZT,KNN和BNT 钙钛矿压电陶瓷中的压电性能晶粒尺寸效应的研究进展,系统地总结了不同体系中的晶粒尺寸调控方法,详细介绍了晶粒尺寸对压电性能的影响,并对几种理论机制进行了阐述。总体看来,铁电畴在不同体系的压电性能晶粒尺寸效应中起着关键作用。同时,掺杂改性或制备工艺不同会引起材料本身的相结构、畴结构、缺陷及化学成分的改变,这些因素也会影响材料中畴的响应,从而间接对压电性能的晶粒尺寸效应产生影响。虽然在不同体系中压电 晶粒尺寸效应表现各异,但不可否认的是,调节晶粒尺寸是调控其压电性能的有效手段. 深入研究相关理论机制从而推动晶粒尺寸调控工程的进步将是未来研究的热点方向。我们希望此综述能够帮助相关科研工作者加深对压电陶瓷材料中压电性能晶粒尺寸效应的认识与理解,为进一步开发高性能压电材料提供借鉴。参考文献：晶粒尺寸对钙钛矿型压电陶瓷压电性能的影响?刘亦轩、李昭、汤浩正、逯景桐、李敬锋、 龚文、王轲 Acta Phys.Sin. Vol.69,No.21(2020) 217704

?? ? ?转载自：先进陶瓷材料

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