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(yīng)實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)化的重要功能陶瓷,廣泛應(yīng)用于信息傳感、醫(yī)療健康、軍工國防、航空航天等領(lǐng)域。至今,研究最多的壓電材料是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)。隨著電子工業(yè)的需要和陶瓷制備技術(shù)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(yīng)也受到了越來越多的關(guān)注。一些研究表明壓電性能的晶粒尺寸效應(yīng)與陶瓷制備過程,如制備方法、燒結(jié)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(jié)。同時還歸納了這些體系中晶粒尺寸的調(diào)控方法,以期其他壓電陶瓷體系的晶粒尺寸調(diào)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(yīng)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(yīng)的研究方向做出展望(圖1)。

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文章內(nèi)容

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?? ? ?結(jié)　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(yīng)的研究進展,系統(tǒng)地總結(jié)了不同體系中的晶粒尺寸調(diào)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(yīng)中起著關(guān)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(jié)構(gòu)、疇結(jié)構(gòu)、缺陷及化學(xué)成分的改變,這些因素也會影響材料中疇的響應(yīng),從而間接對壓電性能的晶粒尺寸效應(yīng)產(chǎn)生影響。雖然在不同體系中壓電 晶粒尺寸效應(yīng)表現(xiàn)各異,但不可否認的是,調(diào)節(jié)晶粒尺寸是調(diào)控其壓電性能的有效手段. 深入研究相關(guān)理論機制從而推動晶粒尺寸調(diào)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(guān)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(yīng)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(zhuǎn)載自：先進陶瓷材料

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