Fe2O3添加剂诱导R-O-T相结构优化显著提升(Na,K)(Nb,Sb)O3–CaZrO3–(Bi,Ag)ZrO3无铅压电陶瓷性能

《Journal of Materials Chemistry C》：Effect of Fe2O3 additive on structural and piezoelectric properties of (Na,K)(Nb,Sb)O3–CaZrO3–(Bi,Ag)ZrO3 lead-free piezoceramics

本研究针对0.96(Na0.5K0.5)(Nb0.93Sb0.07)O3–0.01CaZrO3–0.03(Bi0.5Ag0.5)ZrO3(NKNS–CZ–BAZ)无铅压电陶瓷压电性能不足的问题，通过引入0.25 mol% Fe2O3添加剂，成功构建理想菱方-正交-四方(R–O–T)相结构，使压电系数d33从350 pC/N提升至680 pC/N，机电耦合系数kp从0.38增至0.47，为高性能无铅压电材料开发提供新策略。

　　

研究人员发现，基础成分为0.96(Na_0.5K_0.5)(Nb_0.93Sb_0.07)O₃–0.01CaZrO₃–0.03(Bi_0.5Ag_0.5)ZrO₃（简称NKNS-CZ-BAZ）的无铅压电陶瓷，在1125°C下致密化后虽然能形成较大晶粒（约41微米），但其正交-四方（O-T）相结构仅能带来350 pC/N的压电系数（d₃₃）和0.38的机电耦合系数（k_p），性能有待提升。为突破这一瓶颈，团队巧妙引入微量Fe₂O₃作为添加剂。当添加量为0.25 mol%并在1090°C烧结时，陶瓷呈现出更致密的微观结构和更大的晶粒尺寸（约55微米）。最关键的是，其相结构转变为理想的菱方-正交-四方（R-O-T）三相共存状态，且各相比例相近。这种优化的结构直接将压电性能推升至新高度，d₃₃和k_p分别达到惊人的680 pC/N和0.47。该研究证实，Fe₂O₃添加剂通过诱导理想R-O-T相结构的形成并适度促进晶粒生长，能显著增强无铅压电陶瓷的性能，为开发环境友好型高性能压电材料开辟了新途径。