无铅压电材料的研究进展

铁电压电材料是一类非常重要的功能材料,在国民经济、高技术和国防工业中有着重要应用。含铅铁电压电材料由于具有类型丰富、性能优异、成本低廉等优势而被广泛应用。随着绿色可持续社会发展理念的深入,含铅材料对人体及环境的不利影响日益受到关注,开发环境友好的无铅压电材料成为铁电压电材料学科的重要研究方向。无铅压电材料的形式包括陶瓷和单晶,目前有两类无铅压电材料受关注程度较高:(1)BaTiO_3(BT)、Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(BNT)、(K,Na)NbO_3(KNN)三大体系无铅压电材料,因其具有准同型相界(MPB)或多型相界(PPB)结构,在相界组分附近表现出优异的压电性能,而受到广泛的研究;(2)铋层状结构和钨青铜体系无铅压电材料,因其具有居里温度高及各向异性大等特性而受到人们的重视。根据国内外有关无铅压电材料文献资料,分析和总结了无铅压电材料的组分设计、相界构建与性能调控、材料制备的最新研究进展,讨论了离子或化合物掺杂改性和制备工艺对材料性能的影响,分析了无铅压电单晶在制备上存在的挑战及空间生长对组分复杂的固熔体单晶生长带来的好处等问题。最后,在此基础上,对无铅铁电压电材料今后研究和发展方向进行了展望。     

一种改性铌酸盐系无铅压电陶瓷的合成与特性研究

K0.5Na0.5NbO3(KNN)系铌酸盐是一类可能替代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷.利用Ta和Sb掺杂或者取代KNN中的相关离子,在陶瓷的准同型相界(MPB)处显现出高的压电和介电性能.利用传统技术制作出一种新的致密度较高的无铅压电陶瓷(1-x)(K0.5Na0.5)(Nb0.96Sb0.04)O3-xLiTaO3(简记为KNNS-LT).所有的组分在MPB处都存在纯的钙钛矿结构,主要压电性能在MPB处达极大值,其机电耦合系数kp为40%,压电常数d33为225pC/N,居里温度Tc为355℃.     

钙钛矿型铌酸盐系无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展

压电陶瓷材料与器件的研究开发极为重要.从发展角度看,无铅压电陶瓷材料与器件的研究是一项顺应"国际社会可持续发展要求"、符合"国家科学技术和经济发展目标"和"国际材料科学与工程发展趋势"、具有严酷竞争性和紧迫性、具有重大社会经济意义的研究课题.综合介绍了(K,Na)NbO3 (KNN)系钙钛矿型铌酸盐无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展,包括陶瓷材料的组分设计与温度稳定性、陶瓷材料的合成制备新技术等;概括总结了KNN系无铅压电陶瓷在器件上的一些应用;分析展望了KNN系无铅压电陶瓷及器件研究的发展趋势.     

钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的组分设计与性能调控研究进展

钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)基无铅压电陶瓷是目前研究最多且极具应用前景的钙钛矿(ABO3)型无铅压电材料之一。最近几年,BNT基无铅压电陶瓷仍然是国际压电铁电材料研究的热点之一。从BNT基无铅压电陶瓷A位和/或B位取代、多组元复合、掺杂离子改性以及制备技术改进等方面,综合介绍了2006年以来国内外的研究进展,特别是准同型相界的构建以及组分设计与性能调控的研究进展,并对今后的研究进行了展望。     

无铅压电陶瓷与义齿基托树脂结合强度的研究

制备了3种不同类型的无铅压电陶瓷,包括钛酸钡(BT)、钛酸铋钠(BNT)、铌酸钾钠(KNN),用XRD对无铅压电陶瓷进行物相分析;将这3种无铅压电陶瓷与义齿基托树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粘接,通过粘接剪切强度测试评价了无铅压电陶瓷与义齿基托树脂间的粘接强度.实验结果表明,3种不同的无铅压电陶瓷与义齿基托树脂之间的粘接剪切强度值有统计学的差异(P<0.05),由高到低依次为KNN>BNT>BT;所采用的无铅压电陶瓷与义齿基托树脂之间有良好的粘接性能;粘接破坏形式主要为内聚性破坏.研究结果为无铅压电陶瓷与义齿基托树脂将来在口腔临床治疗中的应用提供了重要的实验依据.     

铌酸钠钾基无铅压电陶瓷制备技术的比较研究

铌酸钠钾(KNN)基无铅压电陶瓷是目前世界范围内压电铁电材料研究的热点.要是KNN基无铅压电陶瓷得到实际应用,除需开展材料的配方设计研究外,需要针对铌酸盐压电陶瓷的制备技术开展研究,还需要针对该体系陶瓷完成从实验室的试验研究到企业生产的中试技术研究.本文根据在压电铁电材料与器件生产单位开展KNN基无铅压电陶瓷采用的具体两个配方,结合材料在实验中遇到的相关技术难题,对比传统铅基压电陶瓷材料的制备工艺,对KNN基无铅压电陶瓷的制备技术中各工艺(包括称料、混合、预烧、成型、烧结)开展了比较研究,提出了对相关工艺技术进行改进的建议.     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相变特性和掺杂改性研究进展

人类社会可持续发展的要求以及一些发达国家有关电子产品无铅化法规的全面实施,近年来无铅压电陶瓷的研究与开发受到极大关注.碱金属铌酸盐系压电陶瓷以其优越的压电性能和较高居里温度受到人们高度重视.结合近年有关KNbO3-NaNbO3(KNN)基无铅压电陶瓷的报道,着重从KNN基压电陶瓷的相变特性、掺杂改性和引入第三组元等几个方面,介绍了相关研究的现状,并对KNN基压电陶瓷的发展趋势进行了展望.     

铌酸钠钾基无铅压电陶瓷制备技术新进展

碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷以其优越的压电性能和较高居里温度倍受关注.结合目前有关KNbO3-NaNbO3(KNN)基无铅压电陶瓷的报道,综述了近年来铌酸钠钾基无铅压电陶瓷在粉体制备、陶瓷的成型、烧结以及晶粒取向等制备技术研究的新进展,并从不同方面展望了今后铌酸钠钾基无铅压电陶瓷性能研究及其制备技术上可能的进展.     

从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展--无铅压电陶瓷2O年发明专利分析之一

无铅压电陶瓷的研究与开发已引起世界各国的高度重视.本文综合分析了近20年无铅压电陶瓷发明专利约140篇,从发明专利角度评述了无铅压电陶瓷的研究与发展现状,简要介绍了目前受到广泛研究的BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐系无铅压电陶瓷,并侧重介绍这些无铅压电陶瓷的组分、性能和制备方法.从无铅压电陶瓷发明专利的进展可以看出,在过去20年中,为促进人类社会的可持续发展,无铅压电陶瓷得到了广泛的研究和开发,并取得重要进展.     

从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展——无铅压电陶瓷20年发明专利分析之一

无铅压电陶瓷的研究与开发已引起世界各国的高度重视。本文综合分析了近20年无铅压电陶瓷发明专利约140篇。从发明专利角度评述了无铅压电陶瓷的研究与发展现状，简要介绍了目前受到广泛研究的BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐系无铅压电陶瓷，并侧重介绍这些无铅压电陶瓷的组分、性能和制备方法。从无铅压电陶瓷发明专利的进展可以看出，在过去20年中，为促进人类社会的可持续发展，无铅压电陶瓷得到了广泛的研究和开发，并取得重要进展。     

(1-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_(3-x)Bi_(0.46)Nd_(0.04)(Na_(0.82))K_(0.18))_(0.5)ZrO_3无铅压电陶瓷相结构及电学性能的研究

采用传统固相法制备了(1-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_(3-x)Bi_(0.46)Nd_(0.04)(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)ZrO_3(KNN-xBNNKZ,x=0~0.07)系无铅压电陶瓷,研究了Bi_(0.46)Nd_(0.04)(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)ZrO_3的引入对KNN基无铅压电陶瓷相结构和电学性能的影响。研究结果表明,BNNKZ的引入能够让KNN陶瓷的正交-四方相变温度(TO-T)向低温方向移动,同时三方-正交相变温度(TR-O)向高温方向移动。当0.04x≤0.06时,成功构建出R-T相共存,大幅提高了陶瓷体系的电学性能,陶瓷在x=0.05时具有最优的电学性能:d33=308pC/N,kp=43%,Pr=23.45μC/cm2,εr=1 205,tanδ=3.8%,TC=331℃。     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备工艺技术研究进展

基于对人类生存环境的保护和发展环境友好型材料与电子产品的要求,铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3,简写为KNN)基无铅压电陶瓷由于其具有优越的电学性能和较高的居里温度而成为目前世界范围内压电铁电材料研究的热点之一。材料制备工艺技术在材料科学技术中占有极其重要的地位。结合国际无铅压电陶瓷的研究情况,综述了近年来铌酸钾钠基无铅压电陶瓷在粉体制备、陶瓷烧结以及陶瓷织构化等制备工艺技术上研究的新进展并展望了其发展趋势。     

(0.995-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-0.005BiCoO_(3-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)ZrO_3无铅压电陶瓷相结构及电学性能的研究

采用传统固相法制备了(0.995-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-0.005BiCoO_(3-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)ZrO_3(KNN-0.005BCxBNZ,x=0~0.045)系无铅压电陶瓷,研究了Bi_(0.5)Na_(0.5)ZrO_3的引入对KNN基无铅压电陶瓷相结构和电学性能的影响。研究结果表明,BNZ的引入能够同时使KNN陶瓷的正交-四方相变温度(TO-T)向低温方向移动,三方-正交相变温度(TR-O)向高温方向移动。当0.03x≤0.04时,陶瓷在室温附近正交-四方(O-T)相和三方-正交(R-O)相(即R-O-T相)共存,使陶瓷的电学性能得到大幅提高;当x=0.035时,陶瓷具有最优的电学性能:d33=320pC/N,kp=52%,Pr=19.7μC/cm2,εr=1 400,tanδ=2.5%,TC=335℃。     

(Na,K)0.5Bi0.5TiO3无铅压电陶瓷的结构与性能研究

研究了K0.5Bi0.5TiO3(KBT)含量对Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Bi0.5TiO3(BNKT)无铅压电陶瓷的显微组织结构及压电性能的影响规律,结果表明随KBT含量增加,BNKT无铅压电陶瓷的晶胞参数增大,密度减小,晶粒尺寸减小,居里温度从326℃升高到360℃,压电常数、介电常数和介电损耗增加,机械品质因数下降;KBT含量为0.15mol的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5TiO3无铅压电陶瓷位于准同型相界处,具有较佳的压电性能.     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的现状、机遇与挑战

近十年来, 铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷一直是国内外的研究热点。基于笔者的研究工作, 本文从晶体结构、性能优化、制备工艺三个方面总结了KNN陶瓷的发展现状, 并进而尝试分析了该体系在未来发展中面临的机遇与挑战。     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备和掺杂改性研究进展

结合目前有关铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究,综述了近年来铌酸钾钠基无铅压电陶瓷在粉体制备、陶瓷的成型、烧结以及陶瓷的织构化特别是反应模板晶粒取向等制备技术上研究的新进展,并比较分析了NNK、NNK-LN、NNK-LT-LS等不同的掺杂改性体系在压电性能上的差异和改进.结果显示,改进后的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷致密度高,在压电、介电等性能上均有大幅度的提高,并且出现较宽的准同型相界.最后从不同方面展望了今后铌酸钾钠基无铅压电陶瓷在性能改进上的研究趋势及其制备技术上可能的进展.     

(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷研究进展

(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷体系是目前研究最广泛的功能陶瓷材料之一.综述了BNT基无铅压电陶瓷的研究现状,讨论了相关体系的设计方法、铁电性、压电性以及BNT体系的制备方法.分析比较了BNT系压电陶瓷与Pb(Zr,Ti)O3(PZT)压电陶瓷的性能差异以及存在的问题,对BNT基无铅压电陶瓷进行了展望.     

LiTaO3掺杂对K0.5Na0.5NbO3基无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统陶瓷工艺制备了LiTaO3掺杂的K0.5Na0.5NbO3基无铅压电陶瓷(记为KNN xLT,x=0～8%(摩尔分数)),并研究了陶瓷的晶相、显微结构和压电、铁电等性能.研究结果表明,KNN xLT陶瓷的正交相-四方相准同型相界(MPB)位于4%＜x＜6%处.随着LiTaO3含量的增加,陶瓷的正交→四方结构相变温度(TO-T)向低温方向移动,而四方→立方结构相变温度(Tc)向高温方向移动.陶瓷的压电常数d33和机电耦合系数kp随LiTaO3含量的增加均先增大后减小,而剩余极化强度Pr则随之逐渐减小,矫顽场Ec逐渐增大.当x=6%时,陶瓷具有较好的压电和铁电性能:d33=190pC/N,kp=40.0%,Pr=22.0μC/cm2,Ec=1.78kV/mm,Tc=440℃.该体系陶瓷具有较高的压电常数和比较大的平面机电耦合系数,是一种应用前景良好的压电铁电材料.     

准同型相界(MPB)附近BS-PT高温压电陶瓷研究

（1-x）BiScO3-xPbTiO3陶瓷（简记BS-PT）在x=64．0％附近存在一个从菱方晶系过渡到四方晶系的准同型相界，在此相界附近材料能获得优良的介电和压电性能．本文选取PbTiO3含量在64．0％-65．5％的准同型相界附近的材料组分，利用传统的固相烧结反应法合成了纯钙钛矿相结构的BS—PT陶瓷，通过对材料的相结构形成过程和内部形貌分析以及对介电、压电性能的研究，发现在x=64．5％的组分条件下，BS—PT陶瓷材料获得了准同型相界范围内的最优的压电性能，其室温压电常数d33可达500pC／N，且居里温度（Tc）达到了438℃，剩余极化强度和电致应变分别为44μC／cm^2和3．5‰．研究表明，准同型相界附近的BS-PT陶瓷是一种优良的压电换能器和传感器材料．     

不同粉体制备工艺对铌酸钠钾无铅压电陶瓷性能的影响

铌酸钠钾(KNN)基无铅压电陶瓷性能的提高可通过掺杂、取代和添加烧结助剂等方法来实现,还可通过适当改变陶瓷制备工艺来达到.为了探索可实用化的KNN陶瓷制备工艺,以纯KNN陶瓷的制备为例,考察了3种不同粉体制备工艺(包括传统固相反应法、原料中添加活性炭的固相反应法、以及粉体经分批预烧处理后再混合的固相反应法)对KNN元铅压电陶瓷的晶相、微观结构和电学性能的影响.实验结果表明:采用原料中添加活性炭的固相反应法制得的纯KNN陶瓷,其表面晶粒尺寸相对均一,晶界清晰,样品致密性好;所得的陶瓷样具有较好的介电、压电性能,其中d33=116pC/N,κP=0.37,e=630,tanδ=0.034,Pr=22.40μC/cm2,Ec=0.675kV/mm,Tc=405℃.