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碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷：组成、结构与性能的内在关联探究

一、引言

1.1研究背景与意义

压电陶瓷作为一种能够实现机械能与电能相互转换的功能材料，在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。其具有的正压电效应，即受到机械压力时会产生电信号，以及逆压电效应，即在电场作用下产生微小形变，使其被广泛应用于电子、通信、医疗、航空航天等多个领域。例如在电子设备中，压电陶瓷被用于制造打火机的点火装置、话筒的声电转换元件，以及加速度传感器用于检测设备的运动状态；在通信领域，它可作为谐振器和滤波器，保障信号的稳定传输；在医疗领域，超声诊断探头（B超）利用其正压电效应将声波转换为电信号，实现对人体内部器官的检测，而压电陶瓷驱动的精密机械定位平台则在手术器械中发挥着关键作用，提高手术的精度和成功率；在航空航天领域，压电陶瓷用于制造声纳系统，帮助飞行器探测周围环境，以及在主动减振降噪系统中，通过逆压电效应产生反向振动，抵消外界的振动和噪声，确保飞行器内部的稳定环境。

长期以来，锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷凭借其优异的综合性能，如较高的压电常数、机电耦合系数和机械品质因数，在压电陶瓷市场中占据主导地位。然而，铅元素具有较强的毒性，在PZT基压电陶瓷的生产、使用及废弃处理过程中，铅的排放会对环境造成严重污染，对人类健康构成潜在威胁。随着全球环保意识的不断增强，各国对有害物质排放的限制日益严格，开发环境友好型的无铅压电陶瓷已成为压电材料领域的研究热点和必然趋势。

碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷作为一类具有广阔应用前景的无铅压电材料，受到了科研人员的广泛关注。这类陶瓷主要包括LiNbO?、NaNbO?、KNbO?等体系，它们具有居里温度高、自发极化强度大、声学传输损耗低等优点。其中，LiNbO?晶体具有优良的压电性能和电光性能，可用于制造声表面波器件、延迟线等；NaNbO?在室温下呈现类钙钛矿结构的反铁电体特性，具有强电场诱发的铁电性以及复杂的结构相变；KNbO?则是一种典型的ABO?型钙钛矿结构铁电陶瓷材料，居里温度达到435℃。通过对碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的组成进行设计和调控，引入不同的元素进行掺杂改性，能够有效改善其压电性能、介电性能和机械性能，使其在某些性能指标上可与传统的PZT基压电陶瓷相媲美。例如，通过对KNN（KNbO?-NaNbO?系压电陶瓷）进行A位或B位取代改性，可显著提高其压电常数和机电耦合系数。深入研究碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的组成、结构与性能关系，对于开发高性能的无铅压电材料，推动其在各个领域的广泛应用，具有重要的理论意义和实际应用价值。它不仅有助于解决含铅压电陶瓷带来的环境问题，还能为新型压电器件的研发提供材料基础，促进相关产业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

在国外，对碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的研究开展较早且深入。美国学者早在1949年就合成了具有较强铁电性的ANbO?型单晶化合物（A为Li、Na、K等），其中LiNbO?晶体因其居里点高、自发极化强度大、声学传输损耗低、机械品质因数及机电耦合系数大等优点，被广泛研究并应用于声表面波器件、延迟线等的制作。对于NaNbO?-LiNbO?系压电陶瓷，Pozdnykova研究发现，仅当LiNbO?含量在14%-15%（摩尔分数）之间时，(1-x)NaNbO?-xLiNbO?系为钙钛矿结构单相陶瓷，在LiNbO?含量为12%（摩尔分数）的组成体系附近，存在四方-正交相的室温相界，相界附近的各组成显示出频率常数大、机电耦合系数较大（Kp=39%）、机械品质因素大（Qm=755）等优良的压电性能。Dergunova指出，NaNbO?含量小于21%时，xLiNbO?-(1-x)NaNbO?为铌酸锂型结构单相陶瓷；LiNbO?含量≥90%时，该体系为铌酸锂型结构单相陶瓷；而当NaNbO?含量较高时，由于Li?与Na?半径相差较大，难以得到完全固溶体。

在KNN体系研究方面，国外学者对其相结构和性能进行了大量探索。研究发现KNN陶瓷在Na、K摩尔含量相等时，存在准同型相界，具有较好的压电性能，d33=115pC?N?1，kp=0.36，tgδ=3.56%，Tc=415℃。但KNN陶瓷的相稳定温度被限制在1140℃，通常需要采用热压或等离子烧结工艺才能获得性能较好且相对密度可达99%的陶瓷体。对于(K0.5Na0.5)NbO?-LiNbO?系压电陶瓷（KNLN），国外学者进行了广泛研究，发现在LiNbO?含量等于6%（摩尔分数）时，(K0.5Na0.5)NbO?-xLiNbO?陶瓷存在准同型相界，压电性能达