铌酸钠基能源材料的高能球磨法构建与性能研究

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随着人类社会可持续发展战略的实施及人类环保意识的增强,无铅压电材料的开发及应用已成为国内外铁电压电材料领域的研究热点。其中,具有钙钛矿结构的碱金属铌酸盐陶瓷材料因其良好的压电性能而备受关注,成为替代含铅压电材料的主要候选材料之一。(Na,K)NbO3是研究最多的碱金属铌酸盐体系,电学性能优异。该体系中,NaNbO3作为重要组元,占比一般大于或等于50%。相对于(Na,K)NbO3二元系,NaNbO3的研究报道相对较少。NaNbO3具有复杂的本征相变序列,且在反铁电和铁电相之间存在不稳定性,其相态受化学计量比、化学均匀性、微结构、掺杂、致密度和相界条件而改变。此外,NaNbO3这一类材料的烧结性能较差,由于高温下碱金属元素易挥发,很难实现高致密化,从而导致材料性能不稳定。因此,从材料制备的角度出发构建高致密的NaNbO3陶瓷体,在不同尺度上控制结构与组成的演化而得到优异性能具有重要的研究意义和工程应用价值。  本文采用高能球磨法合成前驱纳米粉体,在此基础上,分别应用传统固相法和放电等离子烧结技术实现NaNbO3基陶瓷的晶粒尺度梯度化。深入探讨了纳米粉体的高能球磨合成机制,陶瓷的致密化行为,相结构和电性能变化规律,并最终对获得的NaNbO3基压电陶瓷进行了能量收集评估。  主要内容如下:  1.采用高能球磨法合成NaNbO3纳米粉末。探讨了高能球磨合成过程中的反应机理以及撞击能量对合成时间的影响,确定最佳工艺条件合成NaNbO3纳米粉末。进一步对制备的NaNbO3纳米粉末进行烧结致密化行为研究,探讨了不同烧结阶段的烧结机理。  2.对比传统固相烧结法和放电等离子烧结法烧结NaNbO3陶瓷的微结构与电性能。结果发现,采用传统固相烧结法获得NaNbO3粗晶陶瓷(平均晶粒尺寸~3.5μm,致密度98%)。粗晶陶瓷具有室温稳定的反铁电性,并在100℃附近有一弱介电异常,可归因于反铁电P相至铁电Q相的相转变。采用放电等离子烧结法获得NaNbO3纳米陶瓷(平均晶粒尺寸~50nm,致密度98%)。纳米陶瓷具有室温铁电性,与纳米尺度相关的内应力增强有利于稳定铁电纳米畴结构,并导致体系呈现宏观压电性,压电常数d33为18pC/N。  3.采用传统固相煅烧法及高能球磨辅助煅烧法获得了两类不同颗粒尺度的Na0.52K0.435Li0.045Nb0.905Ta0.05Sb0.045O3无铅压电陶瓷粉末,研究了粉体烧结特性,陶瓷微观结构与电学性能。研究发现,两种前驱粉体获得的陶瓷体中均产生少量的第二相K3LiNb6O17,但两种陶瓷都具有较高的致密度(>97%)和均匀的晶粒尺寸(~4μm)。电性能测试发现,粗颗粒前驱粉体制备的无铅压电陶瓷显示较高的剩余极化(19μC/cm2)和压电常数(200pC/N)。而纳米颗粒前驱粉体制备的无铅压电陶瓷剩余极化和压电常数分别为17μC/cm2和180pC/N。另外,对两类陶瓷分别测试了能量收集特性,结果显示粗颗粒前驱粉体制备的压电陶瓷与纳米颗粒前驱粉体制备的压电陶瓷的最大输出电压和输出功率分别为10V和15μW,7.4V和11.4μW。这表明Na0.52K0.435Li0.045Nb0.905Ta0.05Sb0.045O3陶瓷可以进行振动能量采集,具有潜在的应用价值。
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