《無鉛壓電材料的多層次結構調控與表征技術》是依託清華大學，由李敬鋒擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：無鉛壓電材料的多層次結構調控與表征技術
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：李敬鋒
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高性能無鉛壓電材料是功能陶瓷的重要研究方向之一，目前相關研究進入了關鍵階段。本項目將圍繞鈮酸鉀鈉（KNN）和鈦酸鉍鈉（NBT）等代表性無鉛體系，開展從材料的相結構到原子尺度的多層次結構表征方法研究，包括利用同步輻射研究晶體與相結構以及離子位移和利用高分辨透射電鏡研究微-納多層次疇結構和自發極化位移等重要內容。本項目將通過揭示多層次結構對外電場的壓電回響特性影響規律，勾畫出高性能無鉛壓電材料的多層次結構最佳化設計的圖像，為大幅提高KNN和BNT等無鉛壓電材料的壓電性能指出基於多層次結構調控的有效材料組成與工藝最佳化途徑。本項目成果將有利於鞏固和提高我國在無鉛壓電陶瓷研究領域的學術影響力，推動開展高性能無鉛壓電材料的原創性研究。
結題摘要
圍繞“無鉛壓電材料的多層次結構調控與表征技術”開展創新研究，主要在以下5個方面取得重要進展：（1）壓電力顯微鏡的表征技術：發展了壓電陶瓷的壓電力顯微鏡（PFM）表征技術，實現了塊體材料、薄膜及一維納米棒的疇結構與微區壓電特性的PFM表征，揭示了鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷的多層次疇結構、溫變過程中鐵電疇與相結構的變化規律。（2）原位壓電回響特性研究：利用同步輻射X射線衍射研究了CaZrO3摻雜KNN基陶瓷在電場作用下的相結構，發現電場誘發四方-正交鐵電相變，相變點隨電場強度向高溫移動，其相變範圍也隨之彌散。（3）彌散相變及其作用機制：在以上成果的基礎上，提出利用彌散相變提高KNN基陶瓷溫度穩定性的思想，其有效性在多個成分體系中得到驗證，並揭示了提升溫度穩定性的彌散相變作用機制。（4）高壓電性及其機理：在第（3）項成果的基礎上，分別研發出2種高性能KNN基陶瓷：(Bi,Na,Ba)ZrO3摻雜KNN基陶瓷具有高正壓電係數和溫度穩定性，d33高達450 pC/N，在室溫-80oC內變化幅度低於10%；BaZrO3/(Bi0.5,Na0.5)HfO3摻雜Sb-KNN基陶瓷的逆壓電係數d33*＞640 pm/V，在20-100℃內其變化幅度低於± 6 %。發現納米尺度局部不均勻結構是提升壓電活性和溫度穩定性的起源。（5）反鐵電相-鐵電相變：研究發現Ta摻雜可顯著提升AgNbO3陶瓷的介電擊穿強度和反鐵電穩定性，揭示了B位離子極化率的降低是增強AgNbO3反鐵電穩定性的主要機理。該工作為研究高性能無鉛壓電陶瓷研究提供了新思路和途徑。 在Adv. Mater.、Energy & Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上共發表72篇SCI論文（ESI高被引論文4篇），獲授權發明專利2項和公開發明專利1項，課題負責人作大會報告4次和邀請報告18次，包括鐵電領域著名會議（25屆IEEE國際鐵電套用會議, 2016年，德國）大會報告，主辦7次國際會議，項目負責人作為Guest Editor應邀在著名期刊MRS Bulletin組織專輯（Lead-Free Piezoelectrics，Vol.43, Issue 8, August 2018）。骨幹成員獲 “青年長江學者”和“優秀青年基金”資助。
