《零膨脹高性能鈣鈦礦型壓電陶瓷材料的製備與性能研究》是依託北京科技大學，由陳駿擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：零膨脹高性能鈣鈦礦型壓電陶瓷材料的製備與性能研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：陳駿
- 項目類別：重大研究計畫
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以零膨脹高性能鈣鈦礦型壓電陶瓷材料為總體目標，高Tc壓電功能材料為中心，負熱膨脹、零膨脹調控、高溫壓電性能及相互作用為研究主線，通過多種化學方法合成A、B位替代的單相晶態粉體及製備高密度陶瓷體，研究晶體結構、零膨脹及壓電相關性能。獲得功能基元參數自發極化（Ps）、鍵長、鍵角、BO6、AO12多面體等關鍵結構參數，及在變化溫度場下壓電、鐵電、疇熱穩定性、相轉變等高溫壓電材料相關物理性能。通過PbTiO3負熱膨脹與合適元素替代控制壓電材料熱膨脹性能，並得到在寬溫度範圍仍具有零膨脹優異特性的高性能壓電陶瓷材料。研究功能基元自發極化、電子雜化作用、元素電子結構等物理因素在壓電性能、熱膨脹行為等方面的導向作用與互動機制，探討具有零膨脹及優異壓電性能的內在作用機理，達到可控制備零膨脹高性能壓電晶態功能陶瓷的目的。該項目研究將有利於加深對鈣鈦礦型晶態材料的熱學、微觀結構、多功能特性等方面的本質認識。
結題摘要
本項目以零膨脹高性能鈣鈦礦型壓電陶瓷材料為總體目標，以功能基元、負熱膨脹、零膨脹調控、高溫壓電性能及相互作用為研究主線，研究功能基元自發極化、電子雜化作用、元素電子結構等物理因素在壓電性能、熱膨脹行為等方面的導向作用與互動機制，探討具有零膨脹及優異壓電性能的內在作用機理。主要研究工作集中在以下幾個方面：1、實驗法電子密度研究化學成鍵——PbTiO3-BiFeO3高晶格畸變電子密度及成因。巨大晶格畸變的起因於功能基元BO6八面體及AO12十四面體內Pb/Bi-O2及Ti/Fe-O之間的強烈雜化。2、高溫中子衍射原位研究PbTiO3基化合物功能基元及可能的負熱膨脹機理。採用中子衍射及同步輻射研究BO6八面體及AO12十四面體功能基元隨成分及溫度的變化，功能基元自發極化與NTE之間具有強烈的耦合關係，進一步揭示了鐵電性材料負熱膨脹的本質。3、熱學新現象——尺寸效應引起強烈負熱膨脹到正膨脹反常轉變。該反常轉變由功能基元鐵電性削弱導致。4、新物理概念——自發鐵電熱致收縮。該物理概念是鐵電體及NTE領域新的物理概念，有利於調控鐵電及NTE性能。5、負熱膨脹的第一性原理計算。6、利用功能基元設計鈣鈦礦型高溫壓電材料。採用鐵電活性弱且離子半徑大的離子Zr取代，降低功能基元的極化，進而降低晶格畸變，有利於提升鐵電疇反轉能力，得到了高溫壓電材料如PbTiO3-PbZrO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3。7、功能基元設計優異鐵電特性薄膜材料。通過控制BO6八面體及AO12十四面體功能基元鐵電活性，引入極化能力強且沒有變價特性的Zn離子，提升功能基元的極化值，得到具有優異高極化、低漏導的鐵電薄膜材料Bi(Zn,Zr)O3-PT；此外，得到溫度影響小的高Tc 0.2Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.8PbTiO3鐵電薄膜。以上研究成果發表在J.Am.Chem.Soc., Phys.Rev.Lett., Sci.Rep.等期刊上。 通過本項目資助順利地完成了預期設定的研究目標，同時也發現了一些新的現象及新的物理概念，利用國際上多種先進手段，包括高能同步輻射、高溫中子衍射，解決了一些難點問題，尤其明確了結構基元對鈣鈦礦型功能化合物負熱膨脹、鐵電、壓電等作用，本項目的研究成果為鈣鈦礦型多功能化合物的設計提供了結構基元基礎理論知識。
