[01628222]新型压电陶瓷材料的制备、电性能及器件开发

本项目属于化学化工领域无机材料化学方向的应用基础研究,是无机材料制备学、无机非金属材料学及材料学等多学科的交叉学科。 在国家自然科学基金面上项目（20771070）和陕西省自然科学基金（2005B16）以及教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20070718004）的资助下,本项目是从研究开发新型无铅压电陶瓷材料及其应用的角度出发,开展了KNN基、SNN基和NBT基无铅压电陶瓷的组成设计、微观结构、电性能及器件研制的关联研究,同时也开展了高性能PZT基压电陶瓷的低温烧结技术和新型器件的研究与开发。其主要研究内容如下： （1）新型无铅压电陶瓷体系的组成设计、微观结构与电性能关联性研究; （2）高取向压电陶瓷的织构机理、晶粒模板生长和局部化学微晶取代反应的机理研究; （3）高取向、高性能无铅压电织构陶瓷材料的制备新技术研究; （4）低温烧结技术和掺杂技术制备高性能PZT铅基压电陶瓷材料研究; （5）应用流延和叠层技术,设计制作出高性能压电蜂鸣器、多层压电变压器、多层压电扬声器等片式多层压电器件研究。 该成果的主要创新性： （1）成功开发出了一系列高性能新型的钙钛矿铌酸钾钠基（KNN基）、钛酸铋钠基（NBT基）和钨青铜铌酸锶钠基（SNN基）等无铅压电陶瓷材料; （2）采用局部化学微晶取代法制备出了具有纯钙钛矿相的、各向异性的（h00）取向的NaNbO3模板,提出了局部微晶取代的取代机理。 （3）采用熔盐法制备出具有一定尺寸、适合流延和择优取向的棒状KSr2Nb5O15模板晶粒,为制备各向异性的钨青铜高取向陶瓷奠定了基础,并提出形成棒状KSr2Nb5O15模板晶粒反应机理。 （4）通过模板晶粒生长法（TGG）,研究了KNN基和SNN基无铅压电陶瓷织构过程中的烧结行为、相结构演变、微观结构演变以及模板生长过程中的织构度、微观形貌及介电、压电、铁电行为的影响,获得了高性能无铅压电陶瓷制备新技术; （5）成功研制了KNN基陶瓷的压电蜂鸣器,克服了无铅压电陶瓷难以器件化的弊端; （6）通过组分取代、引入掺杂剂和添加助烧剂等使PZT铅基压电陶瓷的烧结温度从1200℃左右降到了950℃以下,筛选出了PZT-PZN-PMN基、PZT-PFW-PMN基、PZT-PMN-PNM基、PZT- PMN-PSN-PNN基等6种适合多层压电陶瓷器件用的低温烧结兼顾高性能和良好温度稳定性的压电陶瓷材料,实现了铅基压电陶瓷材料的节能和环保。在此基础上成功开发出了高性能降压变压器、扬声器、驱动器等片式多层压电器件,降低了生产成本,减少了环境污染。 本项目关联研究成果先后在国际著名的SCI源期刊《Applied Physics Letters》、《Journal of the American Ceramic Society》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Materials Research Bulletin》和《Sensors and Actuators A》等杂志上发表研究论文41篇,其中SCI二区论文27篇,申请并获得了中国发明专利5项。本项目成果公开发表后,受到了国内外学术界的较高关注和企业界的关注,41篇研究论文被SCI和EI收录,这些论文在SCI源期刊中共被引用464次,其中他引375次,即使刚发表一年多的论文,也被他引了10次,同时专利被相关企业关注并正在生产转化中,充分说明了本项目研究工作的影响度。