壓電陶瓷實現優異溫度穩定性
作者：百檢網 時間：2022-04-08 來源：互聯網
壓電陶瓷具有獨特的機電轉換特性，是電子信息、人工智能、醫療健康等領域不可或缺、不可替代的關鍵功能材料之一，在國民經濟和國防建設中已獲廣泛應用。根據2019年美國BCC市場分析報告顯示，2018年全球壓電器件市場為260多億美元，并預測到2027年將增長到420多億美元。壓電材料和器件對我國尤顯重要，我國是壓電材料及器件的生產、使用和出口大國。目前，應用*廣泛的壓電陶瓷是以鋯鈦酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3, PZT）為代表的鉛基壓電陶瓷，這些材料在制備、回收和廢棄的過程中都會給環境和人類健康帶來嚴重損害。為了滿足環境保護和社會可持續發展的迫切需要，包括我國在內的多國政府已經在電氣電子產業領域推進了一系列無鉛化的法律性規定。到2019年底，部分電子產品（如芯片、電子焊料、電子漿料等）已實現了無鉛化，但是壓電材料領域至今尚未發現可以完全替代PZT基陶瓷的無鉛壓電材料。因此，壓電陶瓷無鉛化已成為國際功能材料領域的重要科學前沿和技術競爭焦點之一。我國“第十四個五年規劃”和“二〇三五年遠景目標”中專門提到“創新驅動發展”、“綠色發展”、“推進重點行業和重要領域綠色化改造”，實現“綠色中國”、“美麗中國”、“綠色制造”的發展目標。因此，積*開展壓電陶瓷無鉛化研究，高度符合國家發展戰略目標。
鈮酸鉀鈉（(K,Na)NbO3, KNN）由于具有較好的電學性能、環境友好等特性，被認為是*有前途制作壓電相關器件的重要候選環境友好型材料之一。近年來，研究者提出了KNN基無鉛壓電陶瓷的新型相界設計與構建新思路，實現了壓電性能的連續突破（Wu et al, Chem. Rev. 2015, 115, 7, 2559; Wu et al, Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 671）。但是KNN基陶瓷自1954年被發現以來，由于相界對溫度的依賴性，致使其壓電系數（d33）溫度穩定性差的難題一直無法解決。針對如傳感器、換能器等應用，除了高壓電系數（d33），優異的壓電系數溫度穩定性也是壓電陶瓷滿足器件應用的重要指標。因此，在保證高壓電系數的前提下，如何提升其壓電系數的溫度穩定性一直是該類陶瓷研究的重點和難點。室溫下新型相界的構建雖然*大提升了KNN基陶瓷的壓電系數，但其多晶型相界的本征特性會導致其溫度穩定性的大幅度降低。因此，設計新方法來解決KNN基無鉛陶瓷嚴重的壓電系數溫度敏感性具有重要的科學意義和實用價值。鑒于相界設計與構建是實現其壓電性能提升*有效的方法，如何利用相界設計來實現壓電系數溫度穩定性的提升成為研究重點。過去研究者通過構建具有彌散相變的多相共存改善了KNN基陶瓷壓電系數（d33）的溫度穩定性，但在25~100 ℃內d33的衰減仍然大于27%。為了徹底解決KNN基陶瓷壓電系數溫度穩定性差的難題，四川大學鐵電壓電材料與器件特色團隊吳家剛教授提出了利用流延工藝構建具有成分梯度的多層復合陶瓷并成功誘導出梯度變化的相結構從而獲得優異溫度穩定性的新策略，實現了迄今為止KNN基陶瓷*為優異的壓電系數溫度穩定性（室溫到100℃，壓電系數d33幾乎保持不變）。結合結構表征和相場模擬，認為這種優異的壓電系數溫度穩定性來源于結構梯度變化誘導出的連續相變以及各組分層的協同互補效應。
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