2020
DOI: 10.1007/s11664-020-08436-9
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Large Electric Field-Induced Strain Response Under a Low Electric Field in Lead-Free Bi1/2Na1/2TiO3-SrTiO3-BiAlO3 Ternary Piezoelectric Ceramics

Abstract: Bismuth-based lead-free ceramics are some of the most promising candidates for actuator applications due to their large strain response. Despite the large strains in bismuth-based piezoelectric ceramics, there still remain challenges regarding their utilization in practical applications. For instance, a relatively high operating field is required to obtain the large strain properties. In this work, lead-free Bi 1/2 Na 1/2 TiO 3-SrTiO 3-BiAlO 3 (BNT-ST-BA) ternary piezoelectric ceramics are proposed as material… Show more

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“…传感和储能等电子器件 [1] 。其中,压电驱动器可用作 超声波清洗机、汽车喷油器以及镜头用超声波电机 等,具有广阔的市场前景,已成为当前研究热点 [1][2] 。 目前含铅压电驱动器材料锆钛酸铅 Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)在商业应用中占据主要市场,但由于铅 元素对人体健康和环境都具有极大的危害,已被多 国限制使用。因此,亟需开发高性能、环境友好的无 铅铁电陶瓷材料以取代传统铅基压电陶瓷材料。 目前, 关于无铅压电材料和应变性能研究主要集中于三类 铁电材料:钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)、钛酸钡 BaTiO3(BT)和铌酸钾钠(K0.5Na0.5)NbO3(KNN) [3] 。 优化 工艺与晶粒尺寸、陶瓷织构化以及通过化学掺杂构造 准同型相界(MPB)等是提高陶瓷场致应变性能的有 效方式 [4] 。 通常,KNN 基铁电陶瓷的压电系数 d33 仅有 80 pC/N,通过优化工艺可达 125 pC/N 左右,进一步调 控 K 和 Na 的化学计量比,即 K/Na 为 48/52 时,d33 可及 160 pC/N [5] 。其次,通过化学掺杂构造 KNN 基 陶瓷的 MPB,也能提升陶瓷的压电性能。2018 年 Lv 等 [6] 通过掺杂构造(0.99-x)KNNS-0.01SZ-xBNZ 陶瓷, 使其在 MPB 处压电系数 d33 可达 450 pC/N 且应变值 在 0.148%~0.16%范围内。此外,多晶体陶瓷织构化 也能显著优化陶瓷应变性能 [7] 。2004 年,Saito 等 [8] 通 过掺杂 Li、Ta 和 Sb 等元素,在 MPB 处得到<001>方 向织构的 KNN 基铁电陶瓷,该陶瓷的 d33 高达 416 pC/N 且 d33*为 750 pm/V。然而,由于 K 元素极易挥 发, 普通烧结很难得到致密陶瓷, 极大地阻碍了 KNN 基铁电陶瓷的实际应用 [9] 。BT 是最早发现的无铅铁 电材料,优化应变性能方法与 KNN 类似 [10] 。2018 年 Zhao 等 [11] 构造(1-x-y) BaTiO3-yCaTiO3-x(BaZr1-zHfz)O3(BT-yCT-xBZHz)陶瓷,在 MPB 处获得堪比铅 基陶瓷的压电性能: d33=500 pC/N 与 d33*=1100 pm/V。 再者,优化晶粒尺寸和取向也是有效途径。Tan [12] 等 对 BT 陶瓷晶粒尺寸与应变关系研究发现,在晶粒尺 寸为 4.5 μm 时,场致应变最佳。此外,Zhao 等 [13] 发 现,BT 作为籽晶的 BZT-BCT 织构陶瓷,可在极低电 场 E=20 kV/cm 时,得到 0.153%的应变值,d33*可达 767 pm/V。即便如此,目前 BT 基陶瓷场致应变仍然 较低(0.1%~0.2%),且居里温只有 120 ℃,因此用作 压电驱动器件并不具有显著优势。2007 年,张善涛课 题组 [14] [15] 。通过对 0.92BNT-0.06BT-0.02KNN 陶瓷场致应变原理研究发现, 这主要源于室 温下电场诱导非极性弛豫-极性铁电相转变 [16] 。基于 上述研究,降低 MPB(II)相界温度 Td 至室温来优化应 变性能不失为有效思路,主要手段包括构造钙钛矿型 多组元固溶体、离子掺杂以及调节非化学计量比等。 如 2013 年,Hao 等 [17] 制备 BNT-BKT-KNN 陶瓷,得 到应变值 S=0.48%且 d33* = 600 pm/V。Chen 等 [18] 将 [19][20] 。 此外, 同样为钙钛矿结构的 NN 也 能有效提高 BNT 基陶瓷的应变性能 [21][22][24] 。 此外, 温度的进一步升高使得 PNRs 活性更高, 从而电场诱导弛豫-铁电相转变所需要克服的势垒也 相应地升高,导致相同电场下场致应变值下降 [26]…”
Section: 作为一种实现电能和机械能相互转化的功能材 料, 压电材料每年有近百亿的市场, 主要用作驱动、unclassified
“…传感和储能等电子器件 [1] 。其中,压电驱动器可用作 超声波清洗机、汽车喷油器以及镜头用超声波电机 等,具有广阔的市场前景,已成为当前研究热点 [1][2] 。 目前含铅压电驱动器材料锆钛酸铅 Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)在商业应用中占据主要市场,但由于铅 元素对人体健康和环境都具有极大的危害,已被多 国限制使用。因此,亟需开发高性能、环境友好的无 铅铁电陶瓷材料以取代传统铅基压电陶瓷材料。 目前, 关于无铅压电材料和应变性能研究主要集中于三类 铁电材料:钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)、钛酸钡 BaTiO3(BT)和铌酸钾钠(K0.5Na0.5)NbO3(KNN) [3] 。 优化 工艺与晶粒尺寸、陶瓷织构化以及通过化学掺杂构造 准同型相界(MPB)等是提高陶瓷场致应变性能的有 效方式 [4] 。 通常,KNN 基铁电陶瓷的压电系数 d33 仅有 80 pC/N,通过优化工艺可达 125 pC/N 左右,进一步调 控 K 和 Na 的化学计量比,即 K/Na 为 48/52 时,d33 可及 160 pC/N [5] 。其次,通过化学掺杂构造 KNN 基 陶瓷的 MPB,也能提升陶瓷的压电性能。2018 年 Lv 等 [6] 通过掺杂构造(0.99-x)KNNS-0.01SZ-xBNZ 陶瓷, 使其在 MPB 处压电系数 d33 可达 450 pC/N 且应变值 在 0.148%~0.16%范围内。此外,多晶体陶瓷织构化 也能显著优化陶瓷应变性能 [7] 。2004 年,Saito 等 [8] 通 过掺杂 Li、Ta 和 Sb 等元素,在 MPB 处得到<001>方 向织构的 KNN 基铁电陶瓷,该陶瓷的 d33 高达 416 pC/N 且 d33*为 750 pm/V。然而,由于 K 元素极易挥 发, 普通烧结很难得到致密陶瓷, 极大地阻碍了 KNN 基铁电陶瓷的实际应用 [9] 。BT 是最早发现的无铅铁 电材料,优化应变性能方法与 KNN 类似 [10] 。2018 年 Zhao 等 [11] 构造(1-x-y) BaTiO3-yCaTiO3-x(BaZr1-zHfz)O3(BT-yCT-xBZHz)陶瓷,在 MPB 处获得堪比铅 基陶瓷的压电性能: d33=500 pC/N 与 d33*=1100 pm/V。 再者,优化晶粒尺寸和取向也是有效途径。Tan [12] 等 对 BT 陶瓷晶粒尺寸与应变关系研究发现,在晶粒尺 寸为 4.5 μm 时,场致应变最佳。此外,Zhao 等 [13] 发 现,BT 作为籽晶的 BZT-BCT 织构陶瓷,可在极低电 场 E=20 kV/cm 时,得到 0.153%的应变值,d33*可达 767 pm/V。即便如此,目前 BT 基陶瓷场致应变仍然 较低(0.1%~0.2%),且居里温只有 120 ℃,因此用作 压电驱动器件并不具有显著优势。2007 年,张善涛课 题组 [14] [15] 。通过对 0.92BNT-0.06BT-0.02KNN 陶瓷场致应变原理研究发现, 这主要源于室 温下电场诱导非极性弛豫-极性铁电相转变 [16] 。基于 上述研究,降低 MPB(II)相界温度 Td 至室温来优化应 变性能不失为有效思路,主要手段包括构造钙钛矿型 多组元固溶体、离子掺杂以及调节非化学计量比等。 如 2013 年,Hao 等 [17] 制备 BNT-BKT-KNN 陶瓷,得 到应变值 S=0.48%且 d33* = 600 pm/V。Chen 等 [18] 将 [19][20] 。 此外, 同样为钙钛矿结构的 NN 也 能有效提高 BNT 基陶瓷的应变性能 [21][22][24] 。 此外, 温度的进一步升高使得 PNRs 活性更高, 从而电场诱导弛豫-铁电相转变所需要克服的势垒也 相应地升高,导致相同电场下场致应变值下降 [26]…”
Section: 作为一种实现电能和机械能相互转化的功能材 料, 压电材料每年有近百亿的市场, 主要用作驱动、unclassified
“…Furthermore, it was reported that a large normalized strain ( S max / E max ) of about 600 pm/V under a relatively low field (4 kV/mm) was obtained in BNT–ST ceramics of MPB regions 16–19 . This abnormally large strain in BNT‐based (or BNT–ST) ceramics is associated with the reversible electric‐field‐induced phase transition from an ergodic relaxor (ER) to a ferroelectric (FE) 20–24 . Recently, several studies have suggested that exploring ternary systems can result in discovering a high‒performance piezoelectric in BNT–ST ceramics.…”
Section: Introductionmentioning
confidence: 99%
“…The BiMeO 3 ‐modifying effects have been intensively studied for phase transition behaviors and electromechanical strain properties of BNT‐based binary ceramics. More precisely, it was reported that a phase transformation from normal ferroelectrics to a relaxor with a significant disruption of the long‐range ferroelectric order is induced by adding a small amount of BiMeO 3 (e.g., Me = Al) into BNT‐based binary ceramics 22,32–34 . Furthermore, it is noted that the tolerance factor t of BiMeO 3 is strongly dependent on the B‐site ion (Me).…”
Section: Introductionmentioning
confidence: 99%
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