《新型自然極性納米復相陶瓷的非鐵電壓電效應研究》是依託山東大學，由趙明磊擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：新型自然極性納米復相陶瓷的非鐵電壓電效應研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙明磊
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
我們在前期工作中發現包含Na0.5Bi0.5TiO3和Bi12TiO20的納米複合陶瓷具有自然產生的巨觀極性，因而不需施加電場極化就具有較強的壓電效應。初步研究表明該壓電效應的起源與材料是否具有鐵電性並無直接聯繫，而與其呈現的巨觀胞狀界面及納米微觀結構有關。本項目計畫深入研究此類具有非鐵電性壓電特徵的自然極化多晶材料。在xNa2O-yBi2O3-zTiO2原料配比體系中研究不同x, y, z取值的反應合成及相關離子取代改性，確定製備自然極性壓電多晶材料的原料配比及材料的具體相結構特徵；通過同一樣品巨觀界面與非界面、相同工藝不同組分樣品、相同組分不同製備工藝（溫度梯度、熱壓、氣氛燒結；厚膜、薄膜工藝）樣品之間微觀結構與壓電、介電、熱釋電等性能的對比研究，探索該類材料中與產生這一特殊壓電效應有關的各個環節的詳細物理機制及有效的性能調控方法，從而推動該類新型自然極性壓電材料向潛在的實用方向發展。
結題摘要
傳統壓電陶瓷屬於鐵電陶瓷，通常需要經歷施加強電場極化使鐵電疇取向才能呈現壓電特性。然而，我們在前期工作中發現含有Na0.5Bi0.5TiO3和Bi12TiO20的復相陶瓷在不經歷電場極化的條件下也可具有較強的壓電性。初步研究表明，這一新型壓電材料的壓電性不依賴於材料的鐵電性，因此預測該類壓電材料在高溫環境中可能具有潛在套用價值。為了深入揭示該類新型極性材料的極化機理從而進一步提高其壓電性能，本項目系統研究了xNa2O-yBi2O3-zTiO2組分配比體系以及Na0.5Bi0.5TiO3-Bi12TiO20、SrTiO3-Bi12TiO20、CaTiO3-Bi12TiO20、BaTiO3-Bi12TiO20、BaTiO3-Bi2O3、BaSnO3-Bi12TiO20、BaZrO3-Bi12TiO20等相關組分改性體系。確定了xNa2O-yBi2O3-zTiO2體系中具有自然極性特徵的復相材料組分，發現含有軟鉍礦結構的Bi12TiO20是該類自然極性材料的共有特徵。通過進一步對組分、壓電性能及結構特徵的深入對比研究，發現雖然Bi12TiO20在該類自然極性材料中起著最為關鍵的作用，但不同的第二相及相關含量可以明顯影響該類極性材料的相關性能。根據X光衍射、拉曼光譜、X光電子能譜、電鏡、差熱分析、熱退火等分析結果，確定了該類自然極性材料中都含有一定比例的非晶態Bi12TiO20，該類Bi12TiO20基復相極性材料中巨觀極性的形成主要與材料燒結過程中Bi12TiO20相關非晶相的非均勻塑性形變密切相關。這一類極化現象可以被認為是一種新的由溫度梯度驅動的塑性撓曲電效應。此外，系統研究了該類新型極性材料的製備工藝，發現選擇適合的納米第二相、適當的溫度梯度與合適的燒結襯底材料都能夠有效提高該類材料的壓電性能。通過各種組分及工藝改性研究，該類材料的壓電常數d33已提高到24pC/N,機電耦合係數提高到14%，壓電電壓常數g33可高達0.047Vm/N，退極化溫度可高達860°C，已顯示出較為優良的高溫壓電性能。本項目發展了一類基於形成部分巨觀極性非晶相的全新壓電材料體系，提出了驅動該類特殊極化形成的機理解釋，創新了相關製備工藝，最終獲得了材料壓電性能的較大提升，為進一步發展類似機理的相關極性功能材料奠定了良好的基礎。
