用扰动角关联和角分布技术研究KNN基压电复合材料压电性机理

铌酸钠钾(KNN)基无铅压电陶瓷体系与聚合物(如聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等)制备的0-3型压电复合材料，具有无铅、声阻抗小、机电藕合系数高和易加工成形等优点，是国际上压电复合材料研究的热点。在研制KNN无铅压电复合材料工艺中，掺杂及我们首次发现的浸水工艺都能对其压电性能产生显著影响，但其内部电磁场与压电性能间尚无明确的物理解释。扰动角关联（PAC）和角分布（PAD）方法是通过测量原子核的核矩与核外电磁场间的超精细相互作用来研究材料微观结构的核效应分析技术，是探测探针核所处位置的电场梯度非常有效的方法，能够很好地测定压电材料内部的电磁场随掺杂和制备工艺的变化机理。本项目拟用PAC和PAD技术进行压电复合材料微观机制的研究，有望解释浸水工艺显著提高压电性能的物理机理，为新型无铅压电复合材料制备工艺提供理论基础,将极大地推动无铅压电复合材料的应用。

本项目研究了BiScO3、SrTiO3掺杂改性KNN基压电陶瓷、KNN基陶瓷与聚偏氟乙烯（PVDF）复合材料、PVDF与K2CO3复合材料的制备与性能，用扰动角关联技术（PAC）测量KNN基陶瓷。.研究了BiScO3对KNN基陶瓷的结构和电学性能的影响。发现BiScO3的加入不改变陶瓷的相结构，只是增加了四方相的比例。体系的TC和PPT均随着BiScO3含量的增加而向低温方向移动。体系在x=0.005处性能最佳且具有相对较好的温度稳定性：d33=280pC/N，kp=49%，εr=1432，tanδ=3.7%。.研究了SrTiO3对KNN基陶瓷的结构和电学性能的影响。发现SrTiO3的加入使陶瓷的结构由正交相向四方相转化，体系的TO-T均随着SrTiO3含量的增加而向低温方向移动，直至降低到室温以下。体系在x=0.008处性能最佳：d33=250pC/N，kp=51%，εr=1143，tanδ=4.45%。.成功制备了具有较高压电性的KNN基陶瓷/PVDF无铅压电复合材料，并观察到了一个新颖的现象：将KNN基陶瓷/PVDF压电复合材料置于去离子水中可以使该复合材料的d33、介电常数及电导率急剧增加。.渗流型复合材料在渗流阈值附近会经历一个剧烈的几何相变，这个几何相变会带来复合材料的介电常数和电导率的急剧上升。介电常数和电导率的上升增加了渗流型复合材料在储能和导电材料上应用的可能性。通过不同于一般使用导电的颗粒与绝缘的聚合物基体复合的方式，而是通过在绝缘的基体PVDF中加入绝缘的K2CO3颗粒而制得了具有巨介电常数和增强了的电导率的“绝缘体/绝缘体”渗流型复合材料。.通过181Hf衰变后的子核181Ta的PAC扰动频率测量研究了Hf掺杂KNN基压电材料的微观结构。对KNN超胞进行结构优化，包括晶格常数和原子位置，采用WC-GGA进行了能量计算，得到KNN基压电陶瓷的晶格常数为3.969 Å。.本项目发表相关研究论文9篇，其中8篇为SCI收录，特别是PVDF与碳酸钾复合材料的研究结果发表在Angewandte Chemie International Edition 2012, (51) 9123-9127.上，该杂志为国际著名学术期刊，2012年度IF=13.75；获得了六项授权国家发明专利，申请了两项国家发明专利、一项国外专利，项目负责人均为第一发明人。