我院翟继卫教授课题组在无铅压电材料研究方向取得重要进展
日期:2018年01月12日 19:32     点击:[]

 

压电材料是一种具有电能和机械能相互转换的功能材料。压电陶瓷由于同时具有正压电效应(即压电陶瓷在受到外力作用时会在表面产生电荷)和逆压电效应(即压电陶瓷在外电场作用下会产生形变)而被广泛应用于换能器、传感器、驱动器和能量收集器等电子器件中。压电材料的应用遍及当今社会日常生活的每个角落,人们几乎每天都有可能涉及到压电材料的应用。例如:日常生活中当你在点燃香烟、煤气灶或者热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了。压电陶瓷不仅在工业和民用产品上用途广泛,在军事上也有大量的应用。在过去几十年中,铅基压电材料由于其优异的压电性能占据着市场的主要份额,为了保护环境及促进人类的可持续发展,2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令,紧随其后美国和众多亚洲国家也制定了相应的法律法规来限制有毒有害物质在电子器件中的使用,其中被限制使用的物质中就包括压电陶瓷中大量使用的铅元素。因此,探索具有高性能的无铅压电材料成为该领域迫切需要解决的课题。

 

材料科学与工程学院翟继卫教授课题组长期致力于无铅压电材料的研究,近期该课题组与澳大利亚卧龙岗大学张树君教授合作,通过采用织构化工艺以及对铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷成分的设计和烧结工艺的优化制备出具有高织构度的KNN基压电陶瓷,其压电系数d33高达~700 pC/N, 机电耦合系数kp76%,电致应变量~0.3%,同时该材料具有高的居里温度和相对优异的电/热性能稳定性。该研究发现高的压电性能主要来源于三个方面:()充分利用压电晶体的各向异性设计了具有<001>取向的正交(O)和菱方(R)相共存的晶体结构,该结构具有最合适的工程畴结构,即较多的能量等价的极化矢量(Ps)数以及极化矢量和外电场方向较小的夹角θ。()织构陶瓷在外电压作用下产生的高的晶格畸变是压电性能提高的本征贡献。另外,极化过程中产生的新的中间相有利于极化过程的实现。(TEMPFM表征的结果发现织构陶瓷中由于模板晶粒的引入导致的电畴尺寸的减小(纳米畴)有利于畴壁在外电场作用下的移动。

 

该项研究工作得到国家自然科学基金重点项目“钙钛矿结构无铅压电陶瓷的性能优化与可控制备研究” 等(51772211, 51332003 51372171的资助。论文发表于(Adv. Mater.DOI: 10.1002/adma.201705171),材料学院2016级博士研究生李朋为第一作者,材料学院翟继卫教授,沈波副教授和澳大利亚卧龙岗大学张树君教授为论文的共同通讯作者。  

 

 

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