西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048
与传统铁电材料相比，具有准同型相界(MPB)的铁电体具有增强的介电、压电和电光性能。通过传统固相烧结技术获得致密的(1-x)Ba2NaNb5O15-xSr2KNb5O15 (BNN-SKN)钨青铜结构陶瓷二元固溶体系，系统研究了BNN-SKN的结构、介电和铁电性能，探究迄今尚未确定的MPB区域。Ccm2与P4bm共存的MPB在x = 0.7附近，随着SKN含量的增加，所测样品的相变温度及介电常数均在x = 0.7附近取得极值，Tm = 170.1 ℃, eTR= 1 211, em = 3 326，给出了BNN-SKN体系的铁电性能，并讨论了该二元体系铁电性变化的影响因素。
钨青铜结构 准同型相界 铁电性 介电性能 tungsten bronze structure morphotropic phase boundary ferroelectric properties dielectric properties
1 1. 济南大学 材料科学与工程学院, 济南 250022
2 2. 惠州学院 广东省电子功能材料与器件重点实验室, 惠州 516001
钙锆共掺钛酸钡陶瓷(BCZT)具有优异的介电性能和压电性能, 是一类具有发展潜力的无铅压电陶瓷, 但其压电性能仍无法与铅基陶瓷媲美。为提高压电性能, 本研究对陶瓷材料进行Sn元素掺杂改性((Ba0.85Ca0.15)- (Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3, x=0.02~0.07))。晶体结构分析证实所有组分的陶瓷无杂相, 处于正交相与四方相两相共存状态, 并具有较大的c/a; 显微结构分析发现所有陶瓷都很致密, 且平均晶粒尺寸随着Sn含量的增加而增大。当x=0.04时, 陶瓷最致密, 且室温处于准同型相界附近, 因此拥有最佳的电学性能: d33=590 pC•N -1, kp=52.2%, tanδ=0.016, ε T33=5372, d *33=734 pm•V -1, IR=57.8 GΩ•cm。本研究表明: Sn掺杂的BCZT基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能, 有望在换能器、机电传感器和驱动器等方面得到应用。
(BaCa)(TiZr)O3基无铅压电陶瓷 Sn掺杂 准同型相界 晶粒尺寸效应 (BaCa)(TiZr)O3 based lead-free piezoceramics Sn doping morphotropic phase boundary grain size effect
1 常州大学材料科学与工程学院, 常州 213164
2 常州大学石油化工学院, 常州 213164
3 香港理工大学电气工程系, 香港 999077
采用两步预烧工艺制备Pb0.962 5La0.025(Mg1/3Nb2/3)1-zTizO3(z=0.28、0.29、0.30、0.31)陶瓷, 其准同型相界(MPB)的化学组成位于PbTiO3含量为0.29 mol和0.30 mol附近。选取准同型相界两侧的化学组成, 制备四方晶相Pb(Mg1/3Nb2/3)0.66Ti0.34O3和三方晶相Pb1-1.5xLax(Mg1/3Nb2/3)1-yTiyO3(x=0.083 3~0.041 7, y=0.206 7~0.273 3)陶瓷粉体。将两种晶相粉体按照设计比例(三方晶相摩尔分数w=0.3、0.4、0.5、0.6)混合, 干压成型, 烧结成化学组成相同、晶相占比不同的Pb0.962 5La0.025(Mg1/3Nb2/3)0.70Ti0.30O3陶瓷。研究了晶相组成对陶瓷压电性能、介电性能、铁电性能的影响。结果表明, 高温烧结后, 陶瓷中的三方晶相和四方晶相占比与配料比基本一致。当w=0.5时, 1 250 ℃烧结陶瓷中三方晶相与四方晶相含量占比分别为0.47、0.53, 晶粒平均尺寸为（5.24±0.23） μm, 相对密度为96.76%。陶瓷的压电应变常数d33、径向机电转换系数kp、厚度机电转换系数kt、相对介电常数εr、剩余极化强度Pr和场致应变系数S(1 Hz、3.5 kV/mm)分别为1 014 pC/N、0.67、0.64、10 955、24 μC/cm2和0.21%。该方法可人为调控化学组成位于准同型相界的陶瓷的晶相占比。
PLMN-PT陶瓷 压电陶瓷 镧掺杂 准同型相界 压电性能 介电性能 铁电性能 PLMN-PT ceramics piezoelectric ceramics lanthanum doping morphotropic phase boundary piezoelectric property dielectric property ferroelectric property
北京工业大学 材料与制造学部, 北京 100124
采用铌铁矿前驱体两步法制备了Pb(Zn1/3Nb2/3)0.2(Hf1-xTix)0.8O3(PZNH1-xTx)钙钛矿压电陶瓷, 研究了铪钛比对陶瓷相结构、电学性能和能量收集特性的影响。结果表明, 当x=0.52时, 陶瓷样品位于准同型相界, 具有最优综合压电性能: 居里温度TC=287 ℃, 品质因数FOM≈14 753×10-15 m2/N, 压电电荷常数d33=492 pC/N。由该组成材料构建的悬臂梁型压电能量收集器输出功率密度高达4.16 μW/mm3, 所转化的电能可成功点亮138盏并联的LED灯。结果表明, PZNHT陶瓷在压电能量收集领域具有良好的应用潜力。
钙钛矿陶瓷 弛豫铁电体 准同型相界 压电性 压电能量收集 perovskite ceramics relaxor-ferroelectrics morphotropic phase boundary piezoelectrity piezoelectric energy harvesting
1 西北工业大学 材料学院, 凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072
2 中国航天科技集团有限公司 第九研究院第七七一研究所, 陕西 西安 710065
3 西安交通大学 附属红会医院创伤骨科环骨盆病区, 陕西 西安 710054
采用传统固相法制备了0.75Pb(Zr1/2Ti1/2)O3-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(0.25-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 (0.75PZT-xPZN-(0.25-x)PNN,摩尔分数x=0.05, 0.10, 0.15, 0.20)压电陶瓷, 研究了x值对陶瓷晶体结构、烧结特性、微观组织和介电、铁电、压电性能的影响规律。结果表明, 陶瓷中三方相和四方相共存, 当x=0.10~0.20时, 陶瓷组分位于准同型相界(MPB)附近。随着PZN含量的增加, 三方相含量减少, 四方相含量增加, 陶瓷的介电常数(εT)、压电常数(d33)、机电耦合系数(kp)和能量转化因子(d33×g33)均随之先增大后减小, 当x=0.15时, 0.75PZT-0.15PZN-0.10PNN陶瓷具有最佳电学性能,即εT=1 850, 公电损耗tan δ=0.029, 居里温度TC=280 ℃, d33=370 pC/N, kp=0.67。
压电陶瓷 组分设计 准同型相界(MPB) 居里温度 压电性能 piezoelectric ceramics component design morphotropic phase boundary (MPB) Curie temperature piezoelectric property
锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷是一类应用非常广泛的功能材料, 可应用于水声换能器、压电马达、医疗超声换能器以及声表面波滤波器等。通过改性提高PZT基压电陶瓷的压电性能一直是该领域的研究热点。本工作采用传统固相反应法制备了准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)组分的Sm-0.25PMN-0.75PZT压电陶瓷, 并对其微观结构以及宏观性能进行了系统研究。研究结果表明：引入Sm3+可以增强压电陶瓷的局域结构异质性, 提升介电响应从而提高压电性能。当Sm3+引入过多时, 铁电极化的长程连续性被大面积打断, 压电性能下降。本实验中得到的最优组分压电陶瓷性能为：高压电系数d33~824 pC/N, 高压电电压常数g33~27.1×10-3 m2/C和相对较高居里温度TC~178 ℃, 电致应变在室温至150 ℃范围内低于5%, 有较好的温度稳定性, 是极具应用前景的高性能压电材料。
PZT 局域结构异质性 准同型相界(MPB) 高压电系数 PZT local structure heterogeneity morphotropic phase boundary (MPB) high piezoelectric coefficient
1 福建师范大学 化学与材料学院, 福州 350117
2 中国科学院 福建物质结构研究所, 光电材料化学与物理重点实验室, 福州 350002
铅基复合钙钛矿铁电材料广泛应用于机电传感器、致动器和换能器。二元铁电固溶体Pb(Ni1/3Nb2/3)O3- PbTiO3(PNN-PT)由于其在准同型相界(MPB)区域具有优异的压电、介电性能而备受关注。然而较大的介电损耗和较低的居里温度限制了其在高温高功率器件方面的应用。本研究通过引入Pb(In1/2Nb1/2)O3 (PIN)作为第三组元改善PNN-PT的电学性能, 提高其居里温度; 通过两步法合成了MPB区域的三元铁电陶瓷Pb(In1/2Nb1/2)O3- Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PIN-PNN-PT), 研究了其结构、介电、铁电和压电性能。制备的所有组分陶瓷具有纯的钙钛矿结构。随着PT含量的增加, 陶瓷结构从三方相转变为四方相。通过XRD分析得到了室温下PIN-PNN-PT体系的MPB相图。体系的居里温度由于PIN的加入得到了很大的提高, 更重要的是PIN的引入降低了PNN-PT体系的介电损耗和电导。MPB处的组分展现出了优异的电学性能, 室温下, 性能最优组分为0.30PIN-0.33PNN-0.37PT: d33=417 pC/N, TC=200 ℃, ε′= 3206, tanδ=0.033, Pr=33.5 μC/cm2, EC=14.1 kV/cm。引入PNN-PT的PIN第三组元使得体系的居里温度和压电性得到提高的同时降低了的介电损耗和电导率, 因此, PIN-PNN-PT三元铁电陶瓷在高温高功率换能器等方面具备一定的应用潜力。
铁电陶瓷 准同型相界 居里温度 压电性能 ferroelectric ceramics morphotropic phase boundary Curie temperature piezoelectric properties
1 中山火炬职业技术学院光电信息学院，中山 528436
2 南京航空航天大学航天学院，工业和信息化部重点实验室，空间光电探测与感知实验室，南京 210016
3 江苏省埃迪机电设备实业有限责任公司，南京 211101
4 中国电子科技集团第55研究所，南京 210016
5 北方信息控制集团有限公司，南京 211153
准同型相界附近的弛豫铁电单晶体具有较大的压电效应，因而得到了广泛地研究。一般而言，具有较大铁弹响应的材料也具有较高的声光效应。尤其是大的晶格参数变化和应力所致相变可以同时产生大的折射率变化，二者可以同时提高声光效应。本文在马赫-曾德尔干涉光路中对晶体样品施加单轴应力，测量得到了0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3 (0.65PMN-0.35PT)单晶的声光系数π。研究结果表明，该单晶表现出了极高的声光系数，例如，π33达到了15.2×10-12 m2/N。这些研究结果表明，弛豫铁电单晶是激光束偏转器和声光调制器的优选材料。
声光效应 弛豫铁电体 四方相晶体 铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT) 准同型相界(MPB) acousto-optic effect relaxor ferroelectric tetragonal crystal lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) morphotropic phase boundary (MPB)
