Fe3+掺杂BCZT无铅铁电陶瓷的织构工艺、电致伸缩性能与相结构调控机理研究

Electrostrictive materials have many merits, such as non-hysteresis electric field-induced strain, without aging phenomena and poling. Multilayer actuators based on electrostrictive materials are very important in technologies for micrometer and nanometer driving and control. Due to the restriction of the use of lead and other hazardous elements in electronic devices, developing novel and lead-free electrostrictive ceramics becomes an urgent challenge. In this proposal, we propose to develop Fe3+-doped BCZT textured ceramics by means templated grain growth (TGG) method using plate-like BT or BCZT microcrystals as templates, combing with optimization of the compositions, to enhance the electric field-induced strain and electrostrictive coefficient Q33 by 50% at least, and finally develop multilayer actuators based on these materials. We will optimize the processing parameters to prepare plate-like BT or BCZT microcrystal templates and the processing parameters to the TGG method, study the influence on the phase structures by the Fe3+ dopant, reveal the microstructures of the doped samples by PFM and TEM, clarify the mechanism governing the phase structures by the Fe3+ dopant, and explore the relationship between the BCZT compositions and electrostrictive properties. This proposal will supply materials basis for electrostrictive materials and multilayer actuators. It is also very important to the fundamental research and can generate much huge social economic and environmental effects.

电致伸缩材料具有无滞回应变、无老化现象、不需要预极化处理等优点，基于该材料设计的多层驱动器在超精密定位、微纳驱动控制领域占据重要地位。随着铅等有害物质在电子设备中使用的限制，开发新一代无铅电致伸缩陶瓷材料迫在眉睫。本项目拟采用BT或BCZT片状微晶模板，以模板晶粒生长法(TGG)制备Fe3+掺杂BCZT织构陶瓷，并辅以成分优化提高该体系50%以上的应变和电致伸缩系数Q33，进而发展基于该体系电致伸缩效应的多层驱动器，完善BT和BCZT片状微晶的制备方法，优化TGG法织构陶瓷工艺，研究Fe3+掺杂对BCZT体系的相结构调控影响，采用PFM和TEM揭示掺杂样品的微观结构特征，配合模拟计算澄清Fe3+掺杂对BCZT体系相结构调控机理，探索陶瓷的组分设计与电致伸缩性能的对应关系。本项目的实施对发展电致伸缩陶瓷材料与多层驱动器提供材料基础，具有重要的基础研究价值和巨大的社会经济和环保效应。

电致伸缩陶瓷材料在驱动器领域具有重要的应用价值。在需要产生无滞回大应变的应用场合，如多层驱动器，电致伸缩材料具有独特的优势。此外电致伸缩材料具有响应快、无老化现象、热膨胀率小、不需要极化预处理等优点。本项目采用钛酸钡（BT）片状微晶模板，通过模板生长法（TGG）制备了一系列BT基电致伸缩织构陶瓷材料，完善了BT片状微晶的制备方法，优化了TGG法织构陶瓷工艺，系统研究Fe3+掺杂对BCZT体系相结构调控机理，揭示了掺杂组分的微观结构特征，并建立完善相关理论模型，探索了BT基陶瓷的组分设计与电致伸缩性能的对应关系。通过本项目的实施，我们将BT基陶瓷的电致伸缩系数提高到0.07 m4/C2以上，获得了超低滞回的超高电致应变（0.2%），澄清了电致伸缩系数与材料的组分关系，并通过第一性原理计算预测了具有钙钛矿结构的简单氧化物的电致伸缩系数。本项目不仅发展了BT基固溶体电致伸缩陶瓷材料体系，并为多层驱动器提供了新的材料选择和设计思路，具有重要的基础研究价值和巨大的社会经济和环保价值。本项目相关研究成果在J Eur Ceram Soc、J Am Ceram Soc等期刊上发表学术论文17篇，其中ESI高被引论文3篇，申请中国发明专利2项，培养了硕士研究生4名。