J.Am.Ceram.Soc.：缺陷工程對不同氣氛下燒結的KNN基陶瓷相結構和溫度穩定性的影響

【引言】

壓電陶瓷現已被廣泛應用於感測器、激勵器和轉換器等各類設備中。其中，KNN基壓電陶瓷憑藉其優異的壓電性能和環境友好性，被視為最有潛力的無鉛系壓電陶瓷之一，用來取代傳統的鉛基陶瓷。然而，KNN基陶瓷的壓電係數仍不夠高，未能滿足整個PZT基激勵器的需求。一個可行的解決方案是降低反應層厚度，並增加電極數量，構建一個層間分立且相互並聯的多層激勵器。多層激勵器中的電極通常很貴，為了降低製作成本，可替代貴金屬的Ni、Cu等賤金屬受到了大量關注。為了避免賤金屬的氧化，KNN基陶瓷必須在還原氣氛下進行燒結。大多數鈣鈦礦型陶瓷在還原氣氛下燒結，會產生大量的氧空位，劣化陶瓷的壓電性能。

【成果簡介】

近日，清華大學的王曉慧教授（通訊作者）團隊通過傳統固相法在還原氣氛和空氣中燒結得到MnO摻雜KNN-0.045BNZ無鉛陶瓷樣品，用於缺陷調控方面的研究。本工作的目的是製備在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-0.045BNZ樣品，來探究其缺陷反應和顯微結構、電性能之間的機理，以及樣品壓電性能的熱穩定性差異。相關研究成果以「Defect engineering on phase structure and temperature stability of KNN-based ceramics sintered in different atmospheres」為題發表在Journal of the American Ceramic Society上。

【圖文導讀】

圖1：在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-

0.045BNZ陶瓷的Mn2p光電子能譜分析。

圖2：在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-

0.045BNZ陶瓷的室溫X射線衍射圖。

圖3：在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-

0.045BNZ陶瓷的單胞體積。

在還原氣氛中燒結的KNN-0.045BNZ+x%MnO陶瓷樣品，x=0.2-0.4範圍內，單胞體積幾乎不受加入MnO摻雜的影響，隨MnO的進一步添加，單胞體積增加。在空氣中燒結的樣品，單胞體積在x=0-0.4範圍內縮小，而當x>0.4時增大。鑒於Na+,Bi3+和K+離子的揮發性，在空氣中燒結得到的樣品，其單胞體積要小於在還原氣氛中燒結樣品。

圖4：在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-

0.045BNZ陶瓷的極性缺陷類型。

圖5：在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-

0.045BNZ陶瓷的電阻率ρ和准靜態壓電常

數d33。

圖6： 在不同氣氛下燒結的KNN-

0.045BNZ+x%MnO陶瓷的電滯回線。

(a)空氣中燒結樣品的電滯回線；

(b)還原氣氛中燒結樣品的電滯回線。

圖7：在不同氣氛下燒結的MnO摻雜KNN-

0.045BNZ陶瓷樣品，在100kHz下測得的介

電常數的溫度依賴性。

圖8：35kV/cm極化/時效3天和未極化的MnO

摻雜KNN-0.045BNZ陶瓷樣品在頻率為1Hz，

場強為35kV/cm時的S-E曲線。

(a) 在空氣中燒結樣品的S-E曲線；

(b) 在還原氣氛中燒結樣品的S-E曲線。

圖9：35kV/cm極化/時效3天和未極化的MnO

摻雜KNN-0.045BNZ陶瓷樣品在頻率為1Hz，

場強為35kV/cm時的高場強壓電常數的溫度

依賴性。

(a)在空氣中燒結樣品的-T曲線；

(b)在還原氣氛中燒結樣品的-T曲線。

【小結】

本文通過傳統固相法在空氣中和還原氣氛中製備得MnO摻雜KNN-0.045BNZ無鉛壓電陶瓷。

在還原氣氛中，陶瓷中的Mn離子價態幾乎均為+2，在空氣中燒結的樣品，Mn離子以混合價態（+2，+3，+4）的形式共存。

在還原氣氛中燒結的樣品，在x=0.2-0.4範圍內，Mn2+離子傾向於佔據A位的正離子空位，而當x≥6時，Mn2+取代B位的Zr4+。在空氣中燒結的樣品，在x=0.2-0.4範圍內，Mn2+離子傾向於佔據A位的正離子空位，而當x>0.4時，Mn2+取代B位的Zr4+。同時，在x=0.2-0.8範圍內，Mn3+和Mn4+離子取代B位的Nb5+離子，因此空氣中燒結的樣品中R相所佔分數較還原氣氛中燒結樣品更低。

極性缺陷對場強壓電常數有正的極性缺陷貢獻（DDC），而缺陷對場強壓電常數有負的極性缺陷貢獻（DDC）。因此，極性缺陷的形成有助於提高場強壓電常數的熱穩定性。

文獻鏈接：Defect engineering on phase structure and temperature stability of KNN-based ceramics sintered in different atmospheres（J. Am. Ceram. Soc.，2018，DOI：10.1111/jace.15462）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專註於跟蹤材料領域科技及行業進展，這裡彙集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對於跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

技術服務

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！