钙钛矿结构KNN基无铅压电陶瓷的相界调控

摘要

无铅压电陶瓷的开发与应用是当今压电陶瓷发展的必然趋势,本文综合分析了无铅压电陶瓷的研究背景,给出了钙钛矿型无铅压电陶瓷的主要体系,包括钛酸钡基、钛酸铋钠基、铌酸钾钠基无铅压电陶瓷,也可按照结构来划分，无铅压电铁电陶瓷体系可分成钙钛矿结构(其化学通式为ABO3)、钨青铜结构、铋层状结构等。以铌酸钾钠(KNN)为例，KNN可看成是由正交晶系钙钛矿型结构的KNbO3(铁电体)和NaNbO3(反铁电体)结合而成的化合物，KNN的居里温度Tc~420℃，剩余极化强度Pr~33μC/cm2，压电常数d33~80pC/N。由于KNN的相结构比较复杂，因而在很长的一段时间内KNN基压电陶瓷的研究很少。直到进入21世纪，随着对环境保护的要求，人们重新重视KNN压电陶瓷的研究，2004年Saito等以RTGG方法制备了KNN-LiTaO3(-LiSbO3)陶瓷，其压电常数d33可达416pC/N，平面机电耦合系数kP达61%，其主要性能已达到某些铅基压电陶瓷(如PZT4)的水平。通过掺杂改性、多元复合等方法，具有准同型相界(MPB)组成的KNN基陶瓷的压电性能较纯KNN陶瓷均有较大提高，同时具有较高的居里温度。随着温度的降低，KNN基陶瓷的晶体结构经历从立方→四方→正交→三方的转变。本课题组利用相界调控，成功研制了压电常数d33超过450pC/N的KNN基压电陶瓷。