新型自然极性纳米复相陶瓷的非铁电压电效应研究

我们在前期工作中发现包含Na0.5Bi0.5TiO3和Bi12TiO20的纳米复合陶瓷具有自然产生的宏观极性，因而不需施加电场极化就具有较强的压电效应。初步研究表明该压电效应的起源与材料是否具有铁电性并无直接联系，而与其呈现的宏观胞状界面及纳米微观结构有关。本项目计划深入研究此类具有非铁电性压电特征的自然极化多晶材料。在xNa2O-yBi2O3-zTiO2原料配比体系中研究不同x, y, z取值的反应合成及相关离子取代改性，确定制备自然极性压电多晶材料的原料配比及材料的具体相结构特征；通过同一样品宏观界面与非界面、相同工艺不同组分样品、相同组分不同制备工艺（温度梯度、热压、气氛烧结；厚膜、薄膜工艺）样品之间微观结构与压电、介电、热释电等性能的对比研究，探索该类材料中与产生这一特殊压电效应有关的各个环节的详细物理机制及有效的性能调控方法，从而推动该类新型自然极性压电材料向潜在的实用方向发展。

传统压电陶瓷属于铁电陶瓷，通常需要经历施加强电场极化使铁电畴取向才能呈现压电特性。然而，我们在前期工作中发现含有Na0.5Bi0.5TiO3和Bi12TiO20的复相陶瓷在不经历电场极化的条件下也可具有较强的压电性。初步研究表明，这一新型压电材料的压电性不依赖于材料的铁电性，因此预测该类压电材料在高温环境中可能具有潜在应用价值。为了深入揭示该类新型极性材料的极化机理从而进一步提高其压电性能，本项目系统研究了xNa2O-yBi2O3-zTiO2组分配比体系以及Na0.5Bi0.5TiO3-Bi12TiO20、SrTiO3-Bi12TiO20、CaTiO3-Bi12TiO20、BaTiO3-Bi12TiO20、BaTiO3-Bi2O3、BaSnO3-Bi12TiO20、BaZrO3-Bi12TiO20等相关组分改性体系。确定了xNa2O-yBi2O3-zTiO2体系中具有自然极性特征的复相材料组分，发现含有软铋矿结构的Bi12TiO20是该类自然极性材料的共有特征。通过进一步对组分、压电性能及结构特征的深入对比研究，发现虽然Bi12TiO20在该类自然极性材料中起着最为关键的作用，但不同的第二相及相关含量可以明显影响该类极性材料的相关性能。根据X光衍射、拉曼光谱、X光电子能谱、电镜、差热分析、热退火等分析结果，确定了该类自然极性材料中都含有一定比例的非晶态Bi12TiO20，该类Bi12TiO20基复相极性材料中宏观极性的形成主要与材料烧结过程中Bi12TiO20相关非晶相的非均匀塑性形变密切相关。这一类极化现象可以被认为是一种新的由温度梯度驱动的塑性挠曲电效应。此外，系统研究了该类新型极性材料的制备工艺，发现选择适合的纳米第二相、适当的温度梯度与合适的烧结衬底材料都能够有效提高该类材料的压电性能。通过各种组分及工艺改性研究，该类材料的压电常数d33已提高到24pC/N,机电耦合系数提高到14%，压电电压常数g33可高达0.047Vm/N，退极化温度可高达860°C，已显示出较为优良的高温压电性能。本项目发展了一类基于形成部分宏观极性非晶相的全新压电材料体系，提出了驱动该类特殊极化形成的机理解释，创新了相关制备工艺，最终获得了材料压电性能的较大提升，为进一步发展类似机理的相关极性功能材料奠定了良好的基础。