铌酸钠钾无铅铁电材料相结构调控及电卡效应研究

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铌酸钠钾(K0.5Na0.5NbO3,KNN)是一种具有丰富相结构的铁电材料,随着温度的降低,依次经历从立方相(C)到四方相(T)、从四方相到正交相(O)以及从正交相到三方相(R)的一系列结构相变。通过调控KNN的相结构实现多相共存,从而增加零点场下材料内部电偶极子的极化方向,使其在外电场作用下更容易获得大的熵变,从而有望获得大的电卡效应。本文首先选取Bi0.5Na0.5ZrO3(BNZ)组分与KNN形成(1–x)K0.5Na0.5NbO3–xBi0.5Na0.5ZrO3二元固溶体并通过传统固相烧结法制备出结构致密的铁电陶瓷,研究BNZ含量对KNN相结构、微观结构、介电性能、电卡性能和热释电性能的影响。研究结果表明:BNZ含量的增加使KNN的相变温度向室温附近移动并形成T相和R相共存结构,同时典型的铁电体向弛豫型铁电体转变。当BNZ含量为0.03 mol%时,利用直接测试法在35 kV cm–1的电场下获得的最大的绝热温度变化为?T=0.22 K,直接测得的热释电系数在居里温度(Tc)处最高为454.46×1044 C·m–2K–1。其次,利用(1–x)(K0.49Na0.49Li0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3–xCaZrO3体系,通过调节CaZrO3(CZ)含量获得具有不同相结构和相变类型的铁电体,研究CZ含量变化对该体系陶瓷相结构、微观结构、介电性能和铁电性的影响,探究弥散性铁电—铁电相变和弛豫型铁电—顺电相变的电卡效应。研究结果表明:随着CZ含量的增加,该体系陶瓷的相结构发生明显的变化,陶瓷的晶粒尺寸单调递减。当0.02≤x≤0.06时,该体系陶瓷具有多个铁电相共存的相结构,不同铁电相之间的相变具有弥散性特点,且相变弥散性逐渐增强。当CZ含量为0.05 mol%时,在室温附近获得具有R-O-T三相共存的结构,在80 kV cm–1的电场下最大的绝热温度变化?T=0.63 K,制冷工作温区Tspan=43 oC。当0.08≤x≤0.12时,该体系陶瓷变为弛豫型铁电体,只具有弛豫型铁电—顺电相变。随着CZ含量的增加,铁电—顺电相变温度(Tm)向室温方向移动,且介电性能和铁电性逐渐降低。当CZ含量为0.08 mol%时获得最大的电卡效应,最大?T值在145 oC时为0.75 K。最后,在(1–x)(K0.49Na0.49Li0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3–xCaZrO3体系中选取CZ含量为0.08 mol%和0.1 mol%的陶瓷组分,利用流延法制备多层陶瓷电容器(MLCC),展开对KNN基MLCC介电性能、铁电性能和电卡效应的研究。研究结果表明:相比传统固相烧结法制备的同体系陶瓷,MLCC的耐击穿电场强度明显增加,所以导致电卡效应在MLCC中被显著增强。KNLNT–0.08型MLCC利用直接测试法在200 kV cm–1的电场下最大?T=1.28 K;KNLNT–0.1型MLCC利用直接测试法在300 kV cm–1的电场下最大?T=2.45 K,与同体系陶瓷组分相比?T值被提高了近10倍。
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