【摘 要】
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人们在日常生产生活中会不断排放各种各样的废热,进而造成一种恶化全球气候和生存环境的热污染,据统计美国在2019年产生的废热能占据总能耗的一半以上,作为全球废热能利用率最高的国家,依然有将近33%的热能被浪费,因此收集利用废热能成为科学研究的重要课题。热释电效应是解决这个问题的有效方法之一,在热释电发展的六十余年当中,含铅的热释电材料因其具有较好的工作稳定性和优异的热释电性能,成为进行热释电能量转换
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人们在日常生产生活中会不断排放各种各样的废热,进而造成一种恶化全球气候和生存环境的热污染,据统计美国在2019年产生的废热能占据总能耗的一半以上,作为全球废热能利用率最高的国家,依然有将近33%的热能被浪费,因此收集利用废热能成为科学研究的重要课题。热释电效应是解决这个问题的有效方法之一,在热释电发展的六十余年当中,含铅的热释电材料因其具有较好的工作稳定性和优异的热释电性能,成为进行热释电能量转换的最佳候选材料。但是含铅材料在制备和应用过程中危害环境、有害健康,近年来各国家和地区对环境保护和能源可持续发展越来越重视,对含铅材料的限制也愈发严格,因此开发具有高性能的无铅热释电材料迫在眉睫。铌酸钾钠（KNN）基无铅压电材料因其优异的电学性能和较高的温度稳定性,是最有可能取代铅基材料的无铅材料之一。本文以铌酸钾钠单晶为研究对象,首先对其相结构进行表征,应用LCR阻抗测量仪测试样品的介电温谱,以获取KNN晶体的正交-四方相变温度TO-T和居里温度CT,为进行热释电测试的温区选择提供依据,对样品进行铁电测试和应变测试以表征铁电性能,应用准静态测量仪测试其压电性能,并探究压电常数d33随温度的演化曲线。接下来依据热释电效应原理和动态电流法搭建了热释电测试系统,并应用已知规格参数的钛酸钡晶体进行校准,对KNN晶体内部的自发极化特性进行表征,通过控制变量法对KNN晶体进行热释电测试和数据拟合,分析对比后选取合适的测试参数,应用热释电测试系统进行测试,发现KNN晶体在正交-四方相变附近的热释电系数高达4.64×10~4μC·m-2·K-1,具备高性能热释电材料的条件,且无铅无毒,在热释电领域有广阔的应用前景。最后考虑到KNN晶体具有组分分凝现象,应用EDS能谱仪测试分析此晶体的分凝规律,分别测试K元素组分为0.398、0.411和0.427的KNN晶体的热释电性能,在K元素为0.41～0.43区间选取压电常数各异的样品进行测试,通过PLM观测其对应电畴结构特征,进一步建立KNN晶体畴结构与其热释电性能的对应关系,分析其内部物理机制,基于以上分析,通过外加极化的方式,使得畴结构重新有序排列,实现对KNN晶体性能的优化,增强铌酸钾钠单晶正交-四方相变的实际应用性。
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