基本信息
- 项目名称：
- 新型KNN基无铅压电陶瓷的制备工艺及特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 无铅压电陶瓷是当前压电铁电领域的研究前沿和热点课题。本作品采用传统陶瓷工艺成功制备出新型的（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3无铅压电陶瓷，研究了该材料体系的制备工艺及电学特性。通过本作品的研究，有望进一步理解KNN基无铅压电陶瓷的电学特性、晶体结构及相变特性的相互关系，从而丰富无铅压电铁电陶瓷的基础研究内涵。
- 详细介绍：
- 压电铁电材料在信息的检测、转换、处理、显示和存储等方面具有广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术功能材料。目前所使用的压电铁电陶瓷材料，绝大多数是铅基压电陶瓷体系，如PbTiO3、Pb(Ti,Zr)O3(PZT)压电陶瓷体系，或以PZT为基加入ABO3复合钙钛矿铁电体作为第三组元构成的三元系压电陶瓷体系。在这些陶瓷材料中，PbO或Pb3O4约占原料总质量的70％，它们在制备、使用及废弃后处理过程中对生态环境及人类造成严重危害。显然，铅基压电陶瓷的使用是与人类社会可持续发展战略背道而弛的，铅污染已经成为人类“公害”之一。 为了保持人类社会和生态环境的协调发展，欧盟、日本等国家和地区已经立法，禁止使用含铅的电子材料。我国是压电材料元器件的生产和出口大国，每年生产陶瓷电容器800多亿只、压电陶瓷频率器件35亿多只、压电陶瓷电声器件7亿多只，这些电子元器件绝大部分是用含铅钙钛矿材料制备的。如果我们不及时加快研究无铅压电陶瓷的步伐、加大研究力度，一旦欧美及日本等发达国家立法限制含铅压电铁电元器件进口，我国压电陶瓷元器件行业必将面临严峻挑战。目前，无铅压电铁电材料已成为压电铁电领域的研究热点。此外，相比于铅基钙钛矿材料，无铅压电铁电材料在体系构建、物化特性、晶体结构、相变特性及电学行为等多方面具有明显的自身特征，拥有丰富的基础研究主题。因此，高性能的无铅铁电压电材料的研究和开发是一项具有重要社会、经济及科学研究意义的主题。 碱金属铌酸盐K0.5Na0.5NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷是目前研究最为广泛的、被认为是最有实用化可能的无铅压电陶瓷体系。它是由铁电体KNbO3和反铁电体NaNbO3结合而形成的固溶体。NaNbO3为类钙钛矿反铁电体，存在复杂的结晶相变，具有强电场诱导的铁电性。类似于反铁电体PbZrO3和铁电体PbTiO3固溶形成具有优异性能的PZT固溶体，反铁电体NaNbO3 和铁电体KNbO3也可以形成完全固溶体，结构仍为钙钛矿结构，具有较好的铁电压电性能。特别是K / Na =1时形成的固溶体，即K0.5Na0.5NbO3，居里温度高(420℃)，机电耦合系数较大。KNN具有类似于KNbO3的相变特性：立方顺电-四方铁电相变和四方铁电-正交铁电相变温度略微降低，分别约为420℃及220℃，但正交铁电-三方铁电相变向低温急速漂移(-200℃）。然而，采用传统陶瓷工艺制备的KNN陶瓷体易于潮解，致密度一般。由于KNN熔点为1140℃，烧结温度接近熔点，从而使Na和K在高温下可能挥发，导致陶瓷烧结性能和电学性能变差；受限于熔点，不能以更高的温度使陶瓷致密化。就材料本身的压电性质来说，其压电常数d33较低(d33=80pC/N)，难以满足实用要求。采用热压工艺能够获得高致密度的KNN陶瓷，材料的温度稳定性得到较大改善，相对密度可达99%，压电性能获得大的改善。但比较于铅基PZT陶瓷，纯的KNN材料的压电性能仍然不是太高。 针对KNN铁电体的特点，各国材料学者开展了广泛的研究，在材料体系的设计及新工艺的应用方面呈现出激烈的竞争态势。其中，在KNN中引入ABO3型的钙钛矿铁电体能够获得电学性能优良的材料体系。Bi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3是一类钙钛矿钛酸盐铁电体，具有极高的自发极化强度（37μC/cm2）和低的矫顽场（2.8 kV/mm），压电性能优良（d33=231pC/N,kp=37%）,但其退极化温度仅为125℃，难以满足实际应用。结合当前KNN基陶瓷研究的最新进展，针对KNN基无铅压电铁电材料研究开发中存在的亟待解决的科学问题，本作品从制备高性能的新型KNN基无铅压电铁电材料的角度出发，基于具有优良压电铁电性能的钙钛矿钛酸盐铁电体Bi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3改性的新型软性K0.5Na0.5NbO3基无铅压电陶瓷体系（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3，有效地提出了构建高性能KNN基陶瓷体系的新思路和新方法，致力于探究软性KNN基陶瓷在两相共存区高压电性的理论基础。研究如下三项主要内容，①新型（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO33无铅压电陶瓷制备工艺；②新型（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3无铅压电陶瓷相变机制、晶相结构及电学特性关联性研究；③ 探究新型（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3两相共存区高压电性能的理论基础。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 结合当前KNN基陶瓷研究的最新进展，针对KNN基无铅压电铁电材料研究开发中存在的亟待解决的科学问题，本作品从制备高性能的新型KNN基无铅压电铁电材料的角度出发，有效地提出了构建高性能KNN基陶瓷体系的新思路和新方法，致力于探究软性KNN基陶瓷在两相共存区高压电性的理论基础。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品针对当前压电铁电领域的研究前沿和热点课题，进行KNN基无铅压电陶瓷体系的构建、制备、晶相结构及电学特性研究，取得了具有一定创新性的结果。通过本作品的研究，丰富了无铅压电陶瓷材料制备技术，提出了设计无铅压电陶瓷的新思路，为材料科学新体系的实践提供了实例。
应用价值和现实意义
- 压电陶瓷蜂鸣器与电磁型蜂鸣器相比,具有可靠性高、寿命长、功耗小等优点。铅基陶瓷蜂鸣器在制备、使用及废弃后处理过程中,不利于人类社会的可持续发展。本作品的后续工作拟精心筛选新型的（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.70K0.20Li0.10)TiO3陶瓷配方,发展基于KNN基无铅压电陶瓷的蜂鸣器关键技术,考察无铅器件的应用性能,为无铅压电陶瓷的应用提供先导性研究。
学术论文摘要
- 采用传统的陶瓷制备工艺制备新型无铅压电陶瓷（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(Na0.7K0.2Li0.1)0.5TiO3+1mol%MnO2，并研究了该体系的铁电压电性能。当x = 0.015时,陶瓷具有最优的压电铁电性能:压电常数d33 = 155pC / N ,机电耦合系数kp = 30.3 % ,剩余极化强度Pr = 34.7μC/ cm2 ,矫顽场Ec = 0. 96 kV/ mm 。研究结果显示，该陶瓷体系是一种良好的无铅压电铁电候选材料之一。
获奖情况
- 四川师范大学第七届学术科技节“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛优秀奖项
鉴定结果
- 通过
参考文献
- 1.L. Egerton, D. M. DILLON, J Am Ceram Soc , 1959 , 42 (9) :4382442. 2.Ultrasonics, Volume 49, Issue 3, March 2009, Pages 395-398。D.W. Wu, R.M. Chen, Q.F. Zhou, K.K. Shung, D.M. Lin, H.L.W. Chan 3.Y. Guo, K. Kakimoto and H. Ohsato, Mater. Lett., 59, 241 (2005) 4.R. Zuo, X. Fang, and C. Ye, Appl. Phys. Lett., 90, 092904 (2007)； 5.Ceramics International, In Press, Accepted Manuscript, Available online 17 May 2011 M.R. Saeri, A. Barzegar, H. Ahmadi Moghadam 6.D. Lin, K.W. Kwok, H.L.W. Chan, J. Appl. Phys., 101 074111 (2007)； 7.H.Y. Park, C.W. Ahn, H.C. Song, J.H. Lee, S. Nahm, K. Uchino, H.G. Lee, and H.J. Lee, Appl. Phys. Lett., 89, 062906 (2006)； 8.Y. Guo, K. Kakimoto, and H. Ohsato, Appl. Phys. Lett., 85[18], 4121-3 (2004).； 9.R. Zuo, D. Lv, J. Fu, Y. Liu, and L. Li, J. Alloys & Compd. 476, 836-9 (2009)； 10.Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya，and M. Nakamur, Nature 432, 84 (2004)；
同类课题研究水平概述
- 近6-8年来，针对KNN铁电压电材料的特点，各国的材料学者展开了深入和内容丰富的研究，在KNN基碱金属铌酸盐陶瓷新体系的提出和新工艺的应用上呈现出激烈的竞争态势。日本的National Institute of Advanced Industrial Science and Technology、National Institute for Material Science、DENSO CORPORATION、Murata Manufacturing Co., Ltd.、NGK INSULATORS LTD、Seiko Epson Corporation等大学、研究所以及大型电子材料企业极端重视KNN基无铅压电陶瓷的研究开发，在KNN基碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷新体系的设计、特性研究以及新制备工艺的开发上投入了大量的人力、物力和资金，发表了大量的科研论文，申请了60余项碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷专利，取得了丰硕的成果。我国学者对BNT基无铅陶瓷的研究较早，取得了较为丰富的研究成果；相较于BNT基陶瓷，我国对KNN基无铅压电陶瓷的研究起步较晚。但是，近年来，香港理工大学、清华大学、北京工业大学中国科学院上海硅酸盐研究所、四川师范大学等在碱金属铌酸盐软性陶瓷的体系设计、相变特性、烧结制度以及配方优化等方面开展了卓有成效的研究。 如前所述，KNN基无铅铁电压电陶瓷是当前压电铁电领域研究的前沿和热点。当前，KNN基无铅压电陶瓷的研究呈现出以下特点：（1）当前KNN基无铅压电陶瓷的研究和开发相当活跃，是铁电压电领域的研究前沿和热点课题，竞争十分激烈；（2）日本在KNN基无铅压电陶瓷新体系和新制备工艺的研究开发上占据主导地位，发表的重要KNN基无铅压电陶瓷论文和申请的专利多为日本所有；（3）部分KNN基无铅压电陶瓷配方已初步具有可望实用化的性能，但制备技术稳定性以及工艺一致性上还必须改善，经济可行性也须考虑；（4）我国在KNN基无铅压电陶瓷的研究和开发上投入了很大的人力和财力，相关研究取得了较好的进展，尤其是通过改变元素的化学计量配比，在组分优化和性能调制方面取得了一些很好的研究成果，铁电压电性能获得很大改善。尽快解决KNN基无铅压电陶瓷研究开发的科学和技术难题，能够有效地推动我国电子材料理论和工艺技术的发展。
