铌酸钾钠基无铅材料的压电性能及畴结构研究

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随着人们对环保问题的日益关注,铅在压电材料中的使用受到越来越严格的限制,压电材料的无铅化大势所趋。(K,Na)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷具有出色的综合压电性能,有希望在部分领域对传统含铅压电陶瓷进行替代,而要进一步拓展无铅材料的应用范围,需要对其展开更加深入的研究。本文通过对KNN陶瓷进行成分优化,系统研究了材料的电学性能及其温度稳定性;此外,还利用压电力显微术对(K,Na)NbO3单晶的电畴结构进行了表征。首先,利用MnO2掺杂对KNN基压电陶瓷的机电耦合性能进行调控,研究了成分优化对材料在室温下的结构和电学性能的影响。发现适当的Mn掺杂能显著提高陶瓷的压电性能,小信号压电常数d33从245提高到340 pC/N,大信号压电常数d*33从355提高到475 pm/V,性能增幅分别达到了40%和35%。通过对含Mn和不含Mn陶瓷展开进一步的研究,发现含Mn陶瓷的铁电畴活性更强,在外电场的作用下电畴翻转更加容易,贡献了增强的压电性能。其次,利用经过成分优化的陶瓷,研究了压电性能随温度的变化规律。发现掺杂Mn后的压电陶瓷在压电性能大幅度提高的同时,具有优异的性能温度稳定性,大信号压电常数d*33在室温下为475 pm/V,在170 oC时d*33为375 pm/V,变化率仅为20%。结合相结构精修、变温拉曼测试和介电温谱的实验结果,材料具有一个从室温到高温宽温度范围的菱方-四方两相共存结构,此弥散的两相共存区域是陶瓷兼具高压电性和高温度稳定性的原因。最后,利用压电力显微术对KNN单晶的铁电畴进行表征,通过获取完整的电畴极化分量信息对材料的晶体结构进行了推断。针对利用压电力显微术对铁电畴表征的过程中无法直接对铁电畴极化矢量的方向进行判断的问题,提出了一种基于铁电畴翻转测试判断极化矢量方向的方法。
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