一种提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法

本发明属于功能材料应用领域，具体涉及一种提高压电材料压电响应的方法。

背景技术：

1、压电材料在传感器、驱动器、换能器等电子元器件中扮演了重要的角色。这些功能性应用源于外界激励作用下材料内发生的压电响应(机-电耦合效应)，表现为电致应变响应或应力致电响应。因此，压电响应的大小就成了选择压电材料的主要考虑因素。当前，以锆钛酸铅为代表的含铅压电材料以其较高的压电响应和热稳定性在商用压电材料市场中占据优势地位。然而，随着各类电子产品在生活中各个方面的广泛应用，各类压电元器件的需求量也大幅提升。由于铅具有易挥发性且对人体有害，含铅压电元器件的制备、使用过程中挥发的铅对人体可能造成的危害这种情况下成了不可忽视的问题。自上世纪后半叶以来，环境友好型无铅压电材料已成为领域内众多科学家的研究目标，具有代表性的有铌酸钾钠、钛酸钡、钛酸铋钠/钾、铁酸铋等四个体系。当下，无铅压电材料还不足以替代商用铅基压电材料，主要原因是压电响应和热稳定性无法与含铅压电材料媲美。为了提高几类无铅体系陶瓷的压电响应，除了组分调控和晶粒尺寸效应策略，钠米尺寸范围的微结构设计也被证明是一种可行的思路，如通过掺杂将晶格位点上的原子替换打破极性长程有序性获得极性钠米微区(<100nm)的策略(高熵策略)。目前，除了钛酸铋钠/钾体系，其他三个材料体系的压电响应均已提高到可与含铅压电材料媲美的程度(400～600pc/n)，但热稳定性仍明显低于含铅压电材料。对钛酸铋钠/钾系陶瓷来说，当前只有少数研究报道中获得了200～225pc/n的压电响应。因此，探索提高钛酸铋钠/钾系陶瓷压电响应的方法仍是当前领域内的研究热点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法。通过在具有钙钛矿型(abo3)结构的钛酸铋钠系陶瓷中，采用非化学计量方式添加额外的原子进入晶格，增大原子排列时的混乱程度，提升结构中极性钠米微区之间极化强度(大小和方向)的异质性，降低系统中极化强度转向的能垒，从而达到提升钛酸铋钠系陶瓷压电响应的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法，通过在具有钙钛矿型(abo3)结构的钛酸铋钠系陶瓷中，采用非化学计量方式添加额外的原子进入晶格，增大原子排列时的混乱程度，提升结构中极性钠米微区之间的极化强度(大小和方向)的异质性，降低系统中极化强度转向的能垒，从而达到提升钛酸铋钠系陶瓷压电响应的目的。

4、进一步地，在满足目标组分化学式摩尔计量要求的条件下，以非化学计量的方式额外添加可占据晶格位点的异质元素原子，以提升钛酸铋钠系陶瓷的压电响应。

5、更进一步地，所述异质元素原子包括sr、bi、ba、na和ca。

6、值得说明的是，钙钛矿型(abo3)结构如图1所示，a为立方体骨架的顶点位置，可由同种或多种原子占据；b为立方体骨架的体心位置，也可由同种或多种原子占据，o原子占据立方体骨架六个面心位置。具有钙钛矿结构的材料的化学通式可写为：ax1ax2…axiby1by2…byio3+z，其中，x1+x2+…+xi＝1；y1+y2+…+yi＝1；z根据价态平衡进行调整。通常，材料组分调控手段里的掺杂手段即为调整a位或b位原子的种类，但同时保证等价位置的原子摩尔量的和为1。

7、对陶瓷材料来说，高温烧结过程是必须的一个步骤。对含有易挥发性元素(铋和钠)的钛酸铋钠系压电陶瓷，烧结过程的高温环境(>1100℃)还会造成这些元素原子的挥发明显增强，使晶格结构中a位原子平均摩尔量小于1，产生缺陷的数量不可忽略，继而影响表观性能。因此，可在原料准备阶段，在满足目标组分化学式摩尔计量要求的条件下，以非化学计量的方式(额外)添加可占据晶格结构中a位点的异质元素原子(可以和烧结过程损失的元素种类部分不同，也可以完全不同)。

8、对掺杂、多元固溶等传统组分调整手段，目标组分的化学式变为：ax1ax2…axibo3+z，其中，x1+x2+…+xi＝1。然而，非化学计量方式处理后，目标组分的化学式变为：ax1ax2…axibo3+z，其中，x1+x2+…+xi>1。非化学计量方式添加的异质元素原子可有效补偿烧结过程中元素挥发，减少空位缺陷的数量；同时，进入晶格位点干扰原子排布的周期特点，使形成的极性微区之间的相互影响减弱，有利于降低极性微区之间极化强度的相干性(极化强度的大小、方向的一致性)。即，系统中极性微区之间的极化强度大小和方向的异质性增强，系统的自由能水平提升，外场作用下极化转向的能垒降低，继而，陶瓷的压电响应可被有效提升。

9、进一步地，所述钛酸铋钠系陶瓷包括(na0.5bi0.5)0.94srxba0.06tio3+x、(na0.5bi0.5+x)0.94ba0.06tio3+1.41x、(na0.5bi0.5)0.94ba0.06+xtio3+x；其中，x＝0.01,0.02,0.03,0.04。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

11、本发明通过在满足目标组分化学式摩尔计量要求的条件下，以非化学计量的方式(额外)添加可占据钙钛矿结构a位点的异质元素原子，以提升钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法，与主流的掺杂取代、多元组分固溶等设计路线不同，相比而言其有以下优点：

12、(1)获得的压电响应高，达到200pc/n左右；(2)可选元素种类较宽泛，可操作性强。为提高钛酸铋钠系压电材料的压电响应提供了一个可行的选择。

技术特征：

1.一种提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法，其特征在于，通过在具有钙钛矿型(abo3)结构的钛酸铋钠系陶瓷中，采用非化学计量方式添加额外的原子进入晶格，增大原子排列时的混乱程度，提升结构中极性钠米微区之间极化强度(大小和方向)的异质性，降低系统中极化强度转向的能垒，从而达到提升钛酸铋钠系陶瓷压电响应的目的。

2.根据权利要求1所述的提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法，其特征在于，在满足目标组分化学式摩尔计量要求的条件下，以非化学计量的方式额外添加可占据晶格位点的异质元素原子，以提升钛酸铋钠系陶瓷的压电响应。

3.根据权利要求2所述的提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法，其特征在于，所述异质元素原子包括sr、bi、ba、na和ca。

4.根据权利要求1或2所述的提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法，其特征在于，所述钛酸铋钠系陶瓷包括(na0.5bi0.5)0.94srxba0.06tio3+x、(na0.5bi0.5+x)0.94ba0.06tio3+1.41x、(na0.5bi0.5)0.94ba0.06+xtio3+x；其中，x＝0.01,0.02,0.03,0.04。

技术总结本发明属于功能材料应用领域，涉及一种提高钛酸铋钠系陶瓷压电响应的方法。本发明通过在具有钙钛矿型(ABO<subgt;3</subgt;)结构的钛酸铋钠系陶瓷中，采用非化学计量方式添加额外的原子进入晶格，增大原子排列时的混乱程度，提升结构中极性钠米微区之间极化强度(大小和方向)的异质性，降低系统中极化强度转向的能垒，从而达到提升钛酸铋钠系陶瓷压电响应的目的。技术研发人员：陈攀,陈磊磊,张欣,高云飞,袁斌受保护的技术使用者：黄淮学院技术研发日：技术公布日：2024/6/13