Lead-free piezoceramics

Lead has recently been expelled from many commercial applications and materials (for example, from solder, glass and pottery glaze) owing to concerns regarding its toxicity. Lead zirconium titanate (PZT) ceramics are high-performance piezoelectric materials, which are widely used in sensors, actuators and other electronic devices; they contain more than 60 weight per cent lead. Although there has been a concerted effort to develop lead-free piezoelectric ceramics, no effective alternative to PZT has yet been found. Here we report a lead-free piezoelectric ceramic with an electric-field-induced strain comparable to typical actuator-grade PZT. We achieved this through the combination of the discovery of a morphotropic phase boundary in an alkaline niobate-based perovskite solid solution, and the development of a processing route leading to highly <001> textured polycrystals. The ceramic exhibits a piezoelectric constant d33 (the induced charge per unit force applied in the same direction) of above 300 picocoulombs per newton (pC N(-1)), and texturing the material leads to a peak d33 of 416 pC N(-1). The textured material also exhibits temperature-independent field-induced strain characteristics.     

压电材料反平面应变问题的逆解法

对物理连续的压电材料反平面应变问题，提出了一个逆解法，将其机电耦合行为转化为两个完全相互独立的应力和电位移的边值问题，由此得出，凡物理连续的普通材料反平面应变问题的已知结果（剪应力），皆可作为压电材料相应问题的结果，而不必再费力求解．     

基于COMSOL有限元挠曲电圆筒的力电耦合行为分析

挠曲电效应是一种新型的力电耦合效应。不同于压电效应,挠曲电效应是极化对应变梯度的响应,指的是电介质中的离子由于应变梯度的存在打破了反演对称性,从而导致电介质发生极化或者变形的现象。作为一种类似压电效应的机电耦合效应,因其在材料、机械工程、自动化、仪器仪表等学科中的独特优势而受到越来越多的关注。由于目前所有的商业有限元软件中都缺少挠曲电模块,因此挠曲电问题的数值模拟需用有限元自主编程进行计算。得益于COMSOL Multiphysics的偏微分方程模块（PDE模块）,本文展示在COMSOL软件中对考虑挠曲电效应的力电耦合问题直接进行数值模拟的方法。并针对固定边界位移的挠曲电圆筒进行数值计算,与已有的解析解进行对比,验证了有限元数值计算方法的正确性。此外,本文研究了挠曲电系数及材料不同梯度指数对圆筒力电耦合的影响。该工作可以为挠曲电效应数值计算及挠曲电结构设计提供帮助。     

PZN—PT—BT系铁电陶瓷压电性能研究

本文详细研究了ＰＺＮ—ＰＴ—ＢＴ系铁电陶瓷在相界附近的压电性能，结果表明，在相界附近ｄ３３和ｋｐ出现极大值，并详细分析了其物理机制及结构对压电性能的影响．     

锡酸铅对铌镁酸铅-钛酸铅铁电陶瓷性能的影响

采用固相法合成（0．90-x）Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0．10PbSnO3-xPbTiO3（PMN—PSn-PT）铁电陶瓷．研究了（0．90-x）PMN0．10PSn-xPT铁电陶瓷的结构、介电、铁电和压电性能．在PMN-PT陶瓷中加入PSn后,由于Sn在合成过程中的变价行为导致了第二相Sn2Nb2O7的产生．根据XRD分析确定了（0．90-x）PMN-0．10PSn-xPT体系的准同型相界（MPB）位于x=0．36附近,进而结合介电温谱分析得到了（0．90-x）PMN-0．10PSn-xPT的部分低温相图．PSn加入到PMN-PT陶瓷中,降低了PMN-PT铁电陶瓷的压电活性,最大值位于0．52PMN-0．10PSn-0．38PT组分处（390pC／N）．极化样品的介电温谱上没有观察到三方四方相变温度点,说明PSn的加入使PMN-PT陶瓷的MPB变窄和竖直,因而PSn的加入可以提高PMN-PT铁电陶瓷的实际使用温度．     

The development of Bi Fe O_3-based ceramics

The multiferroic properties of Bi Fe O3-based ceramics were improved through optimizing their sintering method and doping with certain rare earth elements in pure Bi Fe O3. Some methods, especially liquid-phase sintering method has largely decreased the densities of oxygen vacancies and Fe2in Bi Fe O3-based ceramics, and thus their resistivity became high enough to measure the saturated polarization and the large piezoelectric d33 coefficient under the high electric field of [150 k V/cm. Besides,multiferroic properties were improved through the rare earth elements’ doping in pure Bi Fe O3. Magnetization commonly increases with the proportional increase of Nd,La, Sm and Dy contents up to ＊30 %, while ferroelectric phase can transform to paraelectric phase at a certain proportion. An improved magnetoelectric coupling was often observed at ferroelectric phase with a relatively large proportion. Besides, an enhanced piezoelectric coefficient is expected in Bi Fe O3-based ceramics with morphotropic phase boundaries as they are already observed in thin epitaxial Bi Fe O3 films.     

聚合物B位前驱体法制备锆钛酸铅纳米复相陶瓷微观结构

采用前驱体法合成了钙钛矿型B位离子氧化物固溶体,以此作为B位先驱体与碳酸铅通过固相反应在740℃合成A位缺铅的亚稳态钙钛矿型锆钛酸铅(PZT)固溶体.烧结过程中纳米级四方和单斜ZrO2纳米粒子从固溶体中析出.借助X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对物相、组成和微观结构进行了分析.随ZrO2的加入量增加,断口从沿晶穿晶混合断裂变为穿晶断裂.研究表明,采用聚合物B位前驱体法成功制备出内晶型锆钛酸铅纳米复相陶瓷.     

材料梯度、几何非线性和高阶剪切效应对压电纳米梁力电特性的耦合影响

目的 压电材料由于其优越的力电性能在 MEMS / NEMS 得到广泛应用。 针对目前对压电纳米结构力电响应 计算忽视了微/ 纳米尺度下压电材料的挠曲电效应以及剪切效应问题,提出了囊括挠曲电效应和压电效应的功能 梯度压电(Functionally Graded Piezoelectric,FGP)纳米梁数学模型。 纳米梁由压电层和功能梯度层组成,其中功能 梯度层材料遵循幂律指数分布。 方法 首先,基于 Reddy 三阶剪切变形理论、非局部应变梯度理论(NGST)和哈密顿 原理,并考虑了 Von Kármán 几何非线性,获得了梯度梁的非线性力电耦合控制方程及相应的边界条件;然后结合 Runge-Kutta 方法和 Galerkin 方法得到了简支梁的线性和非线性固有频率以及均方根(RMS)输出电压。 结果 提出 的模型与已有文献结果对比十分吻合。 此外,数值结果表明挠曲电常数、压电常数、应变梯度尺度参数、非局部参 数、幂律指数和几何尺寸对非线性固有频率和均方根电压有影响。 结论 相较于 Euler 梁理论和 Timoshenko 梁理 论,采用 Reddy 三阶剪切变形理论得到的梯度梁在相同质量下具有更高的 RMS 电压,同时会降低非线性固有 频率。     

MnSb系压电陶瓷材料sol—gel法合成工艺研究

采用sol-gel工艺制备了钙钛矿结构的锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)，用先驱体合成法制得了PMS、PZN，然后以制得的PZT、作为基料，与PMS、PZN一起合成PMZN压电陶瓷，探讨了PZT、制备工艺对材料结构和性能的影响．结果表明：sol-gel法合成PZT粉制备的PMZN系压电陶瓷材料具有机电耦合系数高，介质损耗小，介电常数与机械品质因数适中等特点：sol-gel工艺降低了材料的烧结温席．改善了材料的介电与压电性能．提高了谐振频率．     

CeO2掺杂(Bi0.94Na0.89Li0.05)0.5Ba0.06TiO3压电陶瓷的微观结构与电性能

采用传统陶瓷工艺合成了CeO2掺杂(Bi0.94Na0.89Li0.05)0.5Ba0.06TiO3 (缩写为 BNBT6-0.05L)无铅压电陶瓷.研究了CeO2掺杂量(质量百分比为0~1.0%)对BNBT6-0.05L陶瓷相结构、体密度、微观结构及压电与介电性能的影响.XRD表明,CeO2扩散进入了BNBT6-0.05L陶瓷晶格内形成了纯的钙钛矿相.SEM表明,少量的CeO2掺杂,改变了陶瓷的微观结构.介电温谱表明,随着CeO2掺杂量的增加,铁电相向反铁电相转变温度(Td)降低. 室温下,CeO2掺杂量为0.2%时,BNBT6-0.05L陶瓷样品有很好的性能:体密度为5.901 g/cm3,压电常数为142 pC/N,平面机电藕合系数为31.3%, 相对介电常数为860, 介电损耗为0.02     

PSN-PZT系统压电陶瓷智能材料的性能与改进研究

研究了ＰＳＮ－ＰＺＴ系统中的组成对压电性能的影响及其作用机理,通过对ＰＳＮ－ＰＺＴ系统Ｚｒ／Ｔｉ比值的调整,使系统点处于准同型相界附近时性能可以得到优化,这一点从微观结构分析得到验证。通过对系统进行Ａ位和Ｂ位掺杂取代来提高其性能,获得了性能优异的压电陶瓷材料,其机电耦合系数Ｋp高达０．７０。     

Zr含量对大功率0.125PMN 0.875PZT陶瓷压电性能的影响

采用二次合成法制备不同zr含量（x=0.46～0.52）的0.125 Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.875PbZr_xTi_1-xO₃（0.125PMN-0.875PZT）三元压电陶瓷。采用x线衍射仪（XRD）、阻抗分析仪等对陶瓷进行表征和性能测试,考察了Zr含量变化对陶瓷烧结相结构、体积密度、介电和压电性能的影响。结果表明:采用二次合成法,制备了纯钙钛矿相结构的陶瓷;当x=0.48～0.50时,0.125PMN-0.875PZT陶瓷处于四方一三方准同型相界（MPB）.在x=0.49时制备的0.125PMN-0.875PZT陶瓷性能最佳,体积密度为7.84 g/cm³,介电损耗低至0.76%,相对介电常数为2 130,压电常数为:320 pC/N,机电耦合系数达0.61,机械品质因数为76。     

The giant electromechanical response in ferroelectric relaxors as a critical phenomenon

The direct conversion of electrical energy to mechanical work by a material is relevant to a number of applications. This is illustrated by ferroelectric 'relaxors' such as Pb(Mg(1/3)Nb(2/3))O(3)-PbTiO(3) (PMN-PT; refs 5, 6): these materials exhibit a giant electromechanical (piezoelectric) response that is finding use in ultrasonic and medical applications, as well as in telecommunications. The origins of this effect are, however, still unclear. Here we show that the giant electromechanical response in PMN-PT (and potentially other ferroelectric relaxors) is the manifestation of critical points that define a line in the phase diagram of this system. Specifically, in the electric-field-temperature-composition phase diagram of PMN-PT (the composition being varied by changing the PT concentration), a first-order paraelectric-ferroelectric phase transition terminates in a line of critical points where the piezoelectric coefficient is maximum. Above this line, supercritical evolution is observed. On approaching the critical point, both the energy cost and the electric field necessary to induce ferroelectric polarization rotations decrease significantly, thus explaining the giant electromechanical response of these relaxors.     

Na0.4725K0.4725＋xLi0.055Nb1＋xO3无铅压电陶瓷制备及性能研究

采用传统固相反应制备了Na0.4725K0.4725＋xLi0.055Nb1＋xO3无铅压电陶瓷,研究了KNbO3对Na0.4725K0.4725＋xLi0.055Nb1＋xO3材料晶体结构和压电性能的影响．XRD图谱表明,随着KNbO3含量的增加,在0．08〈x〈0．12处为材料的正交相和四方相共存的准同型相界．组成为Na0.4725K0.5725Li0.055Nb1.1O3的陶瓷具有优异的电学性能,d33达178pC／N,kp达0．288,εr为642,Qm为41．     

MnO2掺杂的KNN基无铅压电陶瓷的制备及性能

采用传统的固相反应法制备了(1-x)(Na0.65K0.35)0.94Li0.06NbO3-xmol%MnO2无铅压电陶瓷,研究了Mn的掺杂对陶瓷压电和介电性能的影响.实验结果表明,所有的样品都显示出四方相钙钛矿结构.材料的平均晶粒尺寸随着MnO2掺杂量的增加逐渐变大.MnO2的添加使样品的压电常数d33、平面机电耦合系数kp、机械品质因数Qm、介电损耗tanδ和相对密度均得到明显改善.当MnO2的掺杂量为0.50mol%的时候,样品的性能达到最佳:d33=144pC/N,kp=42%,tanδ=2.4%,Qm=168.以上数据表明,该陶瓷材料是一种极具应用潜力的无铅压电陶瓷材料.     

烧结温度对PMSZT压电陶瓷相结构和机电性能的影响

采用固相合成法制备了三元系压电陶瓷Pb_(0.98)Sr_(0.02)(Mn_(1/3)Sb_(2/3)),(Zr_(0.5) Ti_(0.5)_(1-x)O_3(0相似文献   

陶瓷体积分数对水泥基压电复合材料性能的影响

采用切割-填充法，以硫铝酸盐水泥为基体，铌镁锆钛酸铅（简称PMN）为压电功能体制备了1—3型硫铝酸盐水泥基压电复合材料。研究了压电陶瓷体积分数对1—3型水泥基压电复合材料的压电性能和介电性能的影响。结果表明：随着PMN体积分数增大，压电应变常数d33呈非线性增大，压电电压常数g33呈非线性减小。平面和厚度机电耦合系数Kp和Kt及介电常数εγ，随PMN体积分数的增大而增大，在低频段和高频段，其介电常数随频率的变化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。     

准同型相界处BNBT无铅压电陶瓷的研究

探索了准同型相界处BNT—BT（简称BNBT）二元体系无铅压电陶瓷的制备工艺及制备条件。采用XRD、SEM等测试技术,分析了制备工艺和制备条件对准同型相界处BNBT压电陶瓷晶体的微观结构、压电性能、介电性能等的影响,从而确定出最佳的制备工艺和制备条件。利用谐振-反谐振法得出最佳制备条件下制备的BNBT无铅压电陶瓷的介电性、压电性分别为：d33=120pC／N,εr=626,kp=20．34％,Qm=205．34。     

BNT-BKT-BiCrO3压电陶瓷的压电性能和退极化温度

采用传统陶瓷制备方法,制备了一种新型无铅压电陶瓷材料(1-x-y)Bi0·5Na0·5TiO3-xBi0·5K0·5TiO3-yBiCrO3(简写为BNT-BKT-BC-x/y).研究了该体系陶瓷微观结构、压电性能和退极化温度的变化规律.结果表明:除x=0·18、y=0·025的组成析出第2相外,其他组成陶瓷均能够形成纯钙钛矿固溶体,陶瓷三方、四方共存的准同型相界(MPB)成分范围为x=0·18~0·21,y=0~0·02.在准同型相界成分附近该体系陶瓷压电性能达到最大值:d33=168pC·N-1,kp=0·326.采用平面机电耦合系数kp和极化相位角θmax与温度的关系确定的退极化温度基本相同,陶瓷的退极化温度随BC含量的增加一直降低,随BKT含量的增加先降低后升高.     

非均匀电场下功能梯度压电材料板的振动主动控制

针对传统分层压电构件在连接处较容易破坏的问题,使用功能梯度压电材料板中压电材料组分来实现结构的振动主动控制。提出了一个改进的功能梯度材料特性分布方程,该方程由两个参数独立地控制压电材料总体积分数和沿厚度方向的材料梯度分布形式。基于材料特性在横向的梯度变化,推导了非均匀电场下机电耦合系统的运动方程。在振动控制中,使用速度反馈控制方法获得了有效的主动阻尼。在此基础上,研究了压电材料分布类型、梯度分布指数和压电材料总体积分数对功能梯度压电材料板振动控制的影响。结果表明,功能梯度压电材料板中压电材料分布对振动控制效果有较大影响;通过优化功能梯度压电材料板控制电压的施加位置,可以获得良好的振动抑制效果。