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科技工作者之家 2019-12-07
来源:中国科学杂志社
压电材料可以实现电能与机械能的相互转换,在传感器、驱动器、能量回收等领域应用广泛。目前,大部分市场份额由传统铅基压电材料占据。铅基压电材料性能优异,但由于铅元素对环境和人体有害,过去十几年中,研究者一直致力于寻找性能优异的无铅压电材料。
在无铅压电陶瓷研究中,如何同时提高材料的压电性能和温度稳定性是一大难题。近期,清华大学李敬锋课题组开发了一种铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷,为解决这一难题提供思路。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。
研究者利用最常见的掺杂剂Li元素和Sb元素的不同掺杂量组合,获得了具有类似相变温度但结构参数存在差异的KNN基陶瓷,其室温正压电系数d33可达500pC/N,高于一般含铅陶瓷的压电性能,且具有较高居里温度(200°C),并在宽温域维持较高压电性,150°C时d33维持在350pC/N左右。
高分辨透射电镜分析发现,该KNN基陶瓷中存在纳米尺度的多层次畴结构;理论分析表明,这种多层次畴结构可以降低极化的各向异性,从而有益于压电性能的提升。通过对不同组成的陶瓷样品的相结构、电学性能和温度稳定性的对比研究,研究者还发现晶格软化和晶胞畸变降低造成的结构柔化可在整个温度范围内提升压电响应,在KNN基陶瓷中出现的高压电响应是多晶型相变和结构柔化的综合作用。
源于结构柔化的高压电响应
该研究发现了同时提升KNN基无铅压电陶瓷压电性能及温度稳定性的策略及其机理,将为推进无铅压电陶瓷的应用起到重要作用。论文第一作者为清华大学材料学院博士生刘庆(现任教于电子科技大学),材料学院李敬锋教授和该组博士后张一弛为通讯作者。
文章信息:
Practical High-Performance Lead-Free Piezoelectrics: Structural Flexibility Beyond Utilizing Multiphase Coexistence
https://doi.org/10.1093/nsr/nwz167
来源:scichina1950 中国科学杂志社
原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQ5MzQyNA==&mid=2656801764&idx=1&sn=0aa89a8799132b39a4d7009f5c774964&chksm=84a10d3bb3d6842dc10635a7dc285e071f9dcd68cd004e6636469fbb502f51aa070780d2b820&scene=27#wechat_redirect
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