铌酸钾钠基无铅压电材料微结构研究

发布时间：2020-03-23 12:38

【摘要】：压电材料是功能材料的重要一员,通过机械能与电能之间的转换,它被广泛应用与微机电系统、医学超声诊断和自动化工业等领域。多年以来,以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电材料一直占据着主要市场,但是其含有大量的铅,会对自然环境和人类健康带来很大的危害。所以很多国家都开始研究可以替代PZT的无铅压电陶瓷。在众多无铅体系中,铌酸钾钠(KNN)体系因其居里温度高、自发极化大和相对较高的压电系数成为最有希望的研究对象。本文与相关课题组开展合作,对三类具有代表性的KNN基材料的相结构和微结构进行细致的表征,为工艺改良提供指导,为理解和优化性能提供基础。对于传统工艺制备的KNLN陶瓷,提高其性能最为有效的方法就是将多晶型相界(PPT)调节到室温。但是,纯相的陶瓷很难获得,总是不可避免的出现第二相。通过对不同Li含量陶瓷的相结构和微结构进行细致分析,我们发现第二相的结构为四方钨青铜结构,由Li、Na、K、Nb和O五种元素组成。第二相主要分布在陶瓷内部,陶瓷表面没有。并且,第二相的存在会使PPT调节失败,因此压电性能得不到提高。对于固相制备KNLN单晶,我们利用电子背散射衍射、压电力显微镜和透射电镜研究了单晶内部微结构特点。单晶内出现周期平行排列的δ边界和周期性畴结构。δ边界两侧每一层的厚度为2-3μm,两侧的取向关系为1.4°/[12 3 2]。与取向的变化相对应,两种畴结构也呈交替排列。一种畴结构平行的薄片状,畴壁的指数为{100},这种畴结构对应四方相中180°畴或者正交相中90°畴;另一种畴结构为楔形状,畴壁的指数为{11l},指数l是无理数,并随着畴壁与δ边界的夹角变化而改变,这种畴结构对应正交相中的60°或120°畴。在KNLN单晶中观察到的特殊微结构主要和固相法中单晶所受的独特应力场有关。对于反应模板法制备的KNLNTS织构化陶瓷,为了弄清反应机理,我们对烧结过程中四个温度的样品(800°C、1100°C、1140°C和1190°C)进行了细致的结构和成份分析。结果表明,陶瓷内部先发生模板与陶瓷基体的元素或扩散、再形成大量液相、外延生长在模板表面形核,最终通过消耗液相长大实现织构化。因此,我们提出了液相定点辅助烧结的模型。
【图文】：

示意图,压电效应,示意图,压电材料

1.1 基本概念压电效应是描述晶体的介电性质与弹性性质之间的耦合关系，即机电耦合效应的线性部分，描述晶体压电性质的参数为压电常数。当压电晶体受到外力作用而发生形变时，，在它的某些表面上会出现与外力成线性比例的电荷积累，这一现象我们称之为压电效应。压电材料必须为晶体，压电性对晶体对称性的要求是没有对称中心，在 32 类点群中共有 21 类无对称中心，描述压电性质的压电常数也与晶体的对称性密切相关，最优的压电常数通常在一些特定的方向。[1, 2]压电材料可以分为两类，非铁电性的压电材料和铁电性压电材料。α-SiO2 晶体属于非铁电性的压电材料的典型代表，它产生压电效应的机理见图 1.1：当晶体未收到外应力作用时，Si 和 O 在 x-y 平面的投影分布在正六边形的顶点上，正负离子形成的电偶极矩的矢量合为零，晶体表面无净电荷，当受到 x 方向的拉应力或压应力时，正负离子的中心不再重合，所以在晶体 x 面上将出现净电荷。

示意图,示意图,电畴,极化方向

因此，均匀极化的状态是不稳定的，晶体内部产生许多电畴。单个电畴内的极化方向一致，不同电畴之间极化方向不同。畴之间的界面叫畴壁。电畴的稳定构型是静电能，应变能和畴壁能之和取极小值的结果。图1.2示意典型的畴结构。因为铁电畴反应了自发极化的排列状态，因而与性能息息相关。通过操作畴的尺寸与取向被称为畴工程。[5-10]图 1.2 典型铁电畴结构示意图Fig.1.2 Schematic of typical ferroelectric domain structures.
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM282

【相似文献】