文|小律良人

编辑|小律良人

引言

无铅压电陶瓷在能量收集、传感器和电子器件等领域具有广泛的应用潜力，然而，传统的BST和BNKT材料在一些性能方面仍然存在一定的局限性。

为了克服这些局限性，研究人员不断寻求改进材料性能的方法，通过引入适量的LN对BST-BNKT陶瓷进行改性已经成为一个研究热点，这一改进方向,在提高材料的电和能量收集性能方面表现出了潜力。

压电材料的发展

压电材料是一种智能材料，能够将机械能转化为电能，它在各种技术应用中被广泛使用，如传感器、执行器、换能器、滤波器、谐振器、微机电系统、机电器件和高储能电容器等。

目前商业上常用的压电材料是含铅氧化物，但因其释放出有毒铅化合物而存在问题，为了解决这个问题开发了新型的无铅压电材料，比如钙钛矿型无铅压电材料，如BaTiO3、TiO3、K0.5Na0.5NbO3等，具有较高的压电系数。

然而这些材料存在缺点，如居里温度低和极化困难，为了克服这些问题，研究人员做出了很多努力，Bi0.5Na0.5TiO3是一种钡钛矿结构的铋基无铅压电材料，具有较高的居里温度和大的残余极化。

由于其高导电性、较大的矫顽场和较低的归一化应变系数等问题，BNT材料还存在一些挑战，先前的研究表明，在BNT中添加Bi0.5K0.5TiO3可以形成形态相边界，从而改善其性能。

无铅压电陶瓷的实验应用

无铅压电陶瓷是一种材料，其成分包括两部分，制备该陶瓷的过程采用了传统的混合氧化物技术和两个煅烧步骤，将所有碳酸盐粉末如Na2CO3、K2CO3、BaCO3、Li2CO3和SrCO3在烘箱中干燥以去除水分。

然后按照化学计量比例将所有反应物粉末放入乙醇溶液中，通过球磨法湿混合99小时，并再次在烘箱中干燥，接下来将干燥的粉末在不同温度下进行煅烧，然后使用球磨法再次混合。

最后在加入4 wt%聚乙烯醇粘合剂后，将混合粉末以150 MPa的压力压入金属模具中，并在高温下进行烧结，为了评估陶瓷的性能，使用了多种表征方法，通过X射线衍射、拉曼光谱和扫描电子显微镜对微观结构进行分析。

通过电性能测量，包括介电常数和介电损耗的测量，评估了陶瓷的电学性能，铁电性能通过施加不同电场进行测试，磁滞环曲线确定了剩余极化、最大极化、矫顽场和最大矫顽场的值，应变电场行为通过测量应变和电场之间的关系来研究。

压电性能，通过测量压电电荷常数和压电电压常数来评估，能量收集的非谐振品质因数，是根据压电电荷常数和压电电压常数计算的，通过对无铅压电陶瓷的制备和性能进行详细研究，可以评估其在压电器件中的应用潜力。

根据研究结果，所有陶瓷的相对密度约为98%，线性收缩率的相对密度约为18%左右，这意味着采用本研究的制备技术，可以获得接近理论密度的BST添加陶瓷，随着BST含量的增加，样品的相对密度和线性收缩率也逐渐增大。

锂离子A位点位置没有被确认具体的离子半径值，但预期的值应该在r(Li+) = 0.92 Å, CN = 8和r(Na+) = 1.39 Å, CN = 12 之间。

Bi3+离子可能扩散到r(Bi3+) = 1.40 Å 的Bi位点，而K+ (r(K+) = 1.64 Å 、Na+ r(Na+) = 1.39 Å 2、Sr2+ (r(Sr2+) = 1.44 Å 和Ba2+ (r(Ba2+) = 1.61 Å 离子可能扩散到Ti的B位点。

从2θ=39 -41 和2θ=45 -48 的窄角度范围内观察到，y=0的样品展示了菱形和四方相混合结构，其中存在重叠的峰，与先前的研究结果相似，可以在约2θ=46度附近观察到四方相的峰的分裂现象。

随着BST含量的增加，观察到从菱形和四方相混合到四方相优势的相变，通过观察ca比值，可以证实该相变的存在，ca比值从y=0的样品的1.0118增加到y=0.05的样品的1.0136。

BST浓度的增加导致衍射峰略微向较低角度移动，特别是与四方相的ab平面相关的衍射峰，这是由于Bi3+、Na、K、Li、Ba2+和Sr2+在A位点，以及Ti的位置4+和Nb5+在B位点所引起的。

这种变化导致了结构扭曲，即单位晶胞的尺寸扩大，类似的峰移也在先前关于BNKT基化合物的研究中被观察到，拉曼光谱是一种用于研究氧化物材料振动模式和局部结构的技术。

通过测量样品的拉曼光谱，来了解钙钛矿材料中的振动模式和相变情况，在室温下测量的拉曼光谱，波数范围为100-1200厘米^-1，观察到的拉曼光谱与之前的研究结果相似。

低于约150 cm^-1的拉曼模式与A位振动有关，而200到400 cm^-1之间的拉曼模式代表了Ti-O振动，500到650 cm^-1的模式则是八面体Ti-O6振动，高于700 cm^-1的峰值区域指示了A1和E重叠波段，这与纵向光学相关。

在100-200 cm^-1之间的拉曼峰，可能与A位阳离子的振动有关，而约272 cm^-1处的峰值归因于Ti-O的振动，随着BST浓度的增加，这些峰开始分裂并略微偏移，表明晶胞的畸变。

在450-650 cm^-1范围内，与TiO振动相关的两个重叠峰，在BST浓度增加时分离成两个不同的峰，这与XRD结果一致，说明了结构的演化和相变过程中特定的声子行为。

根据SEM图像和直方图，可以观察到所有样品都非常致密，几乎没有孔隙，所有样品的晶界都呈现出立方体的形状，对于BST浓度为0的样品，平均晶粒尺寸约为0.63μm，然而，随着BST浓度的增加，晶粒尺寸逐渐减小。

观察到的最小晶粒尺寸为0.05μm，所有陶瓷样品的平均晶粒尺寸值，从密度、收缩率、四方性和晶胞体积等结果中可以观察到，当添加0.01摩尔分数的BST时，材料的性质突然发生改变。

介电常数和介电损耗在不同频率和温度下的测量结果，对于所有样品而言，在较低频率下测量的εr值比在较高频率下测量的值要大，这是因为大尺度极化在较高频率下无法跟随施加的频率变化。

未改性的0.995BNKT-0.005LN陶瓷的最大介电常数为5570，介电损耗为0.0187，这与之前针对基于BNKT的系统的报道结果一致。

对于添加BST的样品，随着BST含量的增加，初始时εm增加，达到y = 0.03时达到最大值，然后随着y = 0.04后下降。

这些峰的展宽，可以归因于A位和或B位晶格组成波动引起的不同阳离子占据情况，0.995BNKT-0.005LN陶瓷的Td和Tm分别为147 C和255 C，与之前报道的其他BNKT基材料相似。

对于y = 0.01组成的样品，Td降至97 C，并随后几乎保持不变，降低Td可能是由于铁电顺序的不稳定性，以及BST掺杂样品中存在非极性相的影响，这种行为与先前对Zr掺杂BiFeO3系统的研究结果非常吻合。

随着BST含量增加，居里点逐渐增加，这可能是由于晶粒尺寸减小导致空间电荷层表面积增加，从而增加了空间电荷场和铁电极化的锁定，这种现象在PLZT系统中也被观察到。

未改性的0.995BNKT-0.005LN陶瓷，具有Pr = 23.10 μCcm²和Ec = 18.28 kVcm，随着BST含量的增加，Pr值增加，并在y = 0.03时达到最大值32.92 μCcm²，然而，进一步增加BST含量时，BST含量会导致Pr值降低。

典型的双峰压电响应，类似于BNKT基陶瓷的蝴蝶状曲线，最大应变、负应变和归一化应变系数的变化情况，随着BST含量的增加，S.max呈现出与d33类似的趋势。

最大值出现在y = 0.03的样品，此时S.max达到0.22%，对应的d33为440 pmV，然而，随着BST含量进一步增加，S.max和d*33开始下降，这种S.max和d*33在y = 0.03后样品中的下降可能是由于晶格各向异性的增加所导致的。

这表明，通过对-0.995BNKT-0.005BST样品进行调节，晶格的各向异性增加，即菱形相的减少，而四方相增加，这种增加可以从XRD图谱中观察到轻微的畸变，导致晶格常数和晶格能量的增加，进而诱导相变以稳定结构。

结语

现代科技使用固态混合氧化物法，成功制备了一系列新型无铅压电材料[0.995BNKT-0.005LN]-yBST，其中y的值分别为0、0.01、0.02、0.03、0.04和0.05 mol分数。

这些结果表明，该材料系统有潜力成为有前途的新型无铅压电材料候选者之一，这种材料可以应用于传感器、致动器以及能量收集等领域，推动科技的发展。