高性能(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_(3)陶瓷无铅医用超声换能器及其成像

(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_(3)(KNN)陶瓷作为一类重要的高性能无铅压电材料体系,有望推动医用超声成像换能器技术的无铅化。对KNN陶瓷进行有效掺杂改性研究,采用固相烧结法制备了具有优异压电性能的KNN基压电陶瓷,其压电常数达400 pC/N,机电耦合系数为55%。基于其高压电、低声阻抗的综合性能设计制备了高分辨力、大带宽及高频率的医用超声换能器,其纵向分辨率达47μm,-6 dB带宽达93%,中心频率为18.0 MHz。利用此换能器对人体组织模型进行B模式超声成像,获得管状组织的高分辨率结构图像。结果表明,KNN体系陶瓷是一种应用于医用高频超声成像中综合性能优异的材料。

B位Fe^(3+)掺杂Na_(0.5)Bi_(0.49)TiO_(3)陶瓷的电导性能

采用固相合成法制备了x=0,0.02,0.04和0.06的Na_(0.5)Bi_(0.49)Ti_(1-x)Fe_(x)O_(3-δ)(NBT)粉末材料,经压制成型并在1000~1150℃烧结制备了片状陶瓷样品。通过XRD,SEM和EIS测试研究了Fe^(3+)掺杂量x对NBT陶瓷性能的影响。结果表明,NBT材料在掺杂Fe^(3+)后出现了新相NaBiTi_(6)O_(14),且含量随x的增加而变多。材料在掺杂后的烧结温度降低了100~150℃,同时材料的晶粒变得细小。在300~700℃测试温度范围内,x=0.02,0.04和0.06的样品的电导率在相同温度下都处于同一数量级,相对于x=0的样品的电导率提升了约1000倍。x=0.04的样品具有最高的电导率,在600℃和700℃的测试温度下,电导率分别达到9.8 mS/cm和17.0 mS/cm。

压电材料K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)表面修饰高镍正极材料LiNi_(0.83)Co_(0.12)Mn_(0.05)O_(2)的电化学性能研究

采用原位包覆法制备压电材料K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)(KNN)表面修饰高镍正极材料LiNi_(0.83)Co_(0.12)Mn_(0.05)O_(2),并对其进行电化学性能研究。XRD图谱表明,KNN表面修饰样品并未改变高镍正极材料的层状结构。通过XRD结构精修也证实了KNN的存在且本体材料的晶体结构未受影响。EDS面扫描结果表明,KNN已成功地包覆在高镍正极材料的表面。电化学性能测试结果表明,在2.8~4.3 V电压范围内,0.1 C倍率下改性样品KNN@NCM83的初始放电比容量升高;循环100圈后,改性样品仍保持157.8 mA·h/g的放电比容量,容量保持率为82.3%,而原始样品NCM83仅保持133.6 mA·h/g的放电比容量,容量保持率为75.2%。与原始样品相比,KNN@NCM83表现出了更优异的倍率性能,在5 C和10 C倍率下的放电比容量分别为155.6、148.6 mA·h/g,表明KNN能有效提高高镍正极材料的Li^(+)传输效率,进而提高样品的倍率性能。EIS测试结果表明,在充放电循环后KNN@NCM83电极表面生成的固体电解质界面膜(CEI膜)薄而稳定且电荷迁移阻抗较小,充分说明改性样品的结构稳定,可逆性良好。

(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_(3)-xBi(Co_(0.875)Fe_(0.125))O_(3)多铁陶瓷的相变及其铁电性和铁磁性

采用固相反应烧结法合成了(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_(3)-xBi(Co_(0.875)Fe_(0.125))O_(3)(KNN-xBCF)多铁陶瓷,并且对其结构和光电磁等特性进行了系统的研究。结果表明,随着BCF组分x的增加,KNN-xBCF陶瓷表现出明显的由正交相向菱形相的结构转变行为,而且其光学带隙也被降低到了3 eV。此外,源于正交相和菱形相的共存,KNN-0.01BCF陶瓷拥有最大的剩余极化强度,约为4.02μC/cm^(2)。同时,KNN-xBCF陶瓷的磁性可以由抗磁性转化为铁磁性,从而实现铁电性与铁磁性的共存。系统研究了无铅钙钛矿多铁KNN-xBCF陶瓷的结构相变、带隙窄化、铁电性和铁磁性,并且展示了其在多铁器件中的潜在应用。

Sm^(3+)掺杂0.96Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)-0.04CaTiO_(3)陶瓷的制备及光致发光性能研究

采用固相烧结法制备了一系列Sm^(3+)掺杂0.96Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)-0.04CaTiO_(3)(NBT-0.04CT∶xSm^(3+),0.002≤x≤0.020)无铅陶瓷。通过X射线衍射仪表征样品的物相结构,所有样品均呈现单一钙钛矿结构。用荧光光谱仪测量样品的发光性能,样品在479 nm处激发峰最强,可与白光LED合成中使用的蓝色LED芯片相匹配。发射主峰位于597 nm(^(4)G_(5/2)→^(6)H_(7/9)),呈现强橙红色发光。NBT-0.04CT∶0.010Sm^(3+)陶瓷在Sm^(3+)掺杂NBT-0.04CT陶瓷中的发光性能最佳,且在278~473 K陶瓷样品的发光性能呈现良好的热稳定性。结果表明,NBT-0.04CT∶xSm^(3+)陶瓷在白光LED中具有广阔的应用前景。

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)陶瓷的冷烧及其介电与铁电性能

结合普通球磨与高能球磨法,制备了具有纯相、平均粒度约100 nm的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)前驱粉体,前驱粉体加入一定量的去离子水作为液相,采用冷烧并退火工艺制备具有简单组成的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)陶瓷。研究了冷烧温度、冷烧时间、压力等对冷烧试样物相和致密性的影响,对冷烧试样在不同温度进行退火,研究了退火温度对陶瓷的介电和铁电性能的影响。结果表明:在180℃冷烧并1100℃退火陶瓷的室温介电常数为345,室温介电损耗为0.03,剩余极化强度为25.8μC/cm^(2),最大极化强度为31.4μC/cm^(2),矫顽场为10.2 kV/cm,其介电和铁电性能均优于常规固相法制备的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)陶瓷。

新型钾离子电池层状正极材料P3型K_(0.5)MnO_(2)的制备及储钾性能研究

【目的】钾离子电池具有低成本和能量密度高等优势,成为锂离子电池潜在的替代品,受到人们广泛的关注。但是,由于缺乏高比容量、循环寿命长的正极材料,使得这类新型电池的发展受到了限制。【方法】采用水热前驱体法、溶胶凝胶法和草酸盐共沉淀法制备了新型钾离子电池正极材料P3型K_(0.5)MnO_(2).【结论】结果表明与其他两种方法相比,水热前驱体法制备的K_(0.5)MnO_(2)(H-K_(0.5)MnO_(2))具有粗糙的表面和较多的内部孔隙,有利于电子的传递和提供更多的活性位点。H-K_(0.5)MnO_(2)电极在电流密度20 mA/g下,首周放电比容量最高,达到85 mAh/g,60周循环后电极片的XRD和EIS测试结果表明在重复的脱嵌K^(+)后,H-K_(0.5)MnO_(2)仍保持最稳定的结构以及最小的电荷传递阻抗。储钾性能研究的结果表明在高倍率下H-K_(0.5)MnO_(2)赝电容占比最高,从而能够实现快速的可逆充放电。

压电材料Na_(0.5)K_(0.5)NbO_(3)高压相变的拉曼光谱研究

Na_(0.5)K_(0.5)NbO_(3)是一种不含铅的新型压电材料。理解该物质在高压下的晶体结构变化,有助于深入认识并提高其材料的稳定性及压电性能。然而目前关于该物质在高压下的相结构演化过程还缺少实验研究。本工作采用基于金刚石对顶砧(DAC)的高压拉曼光谱技术,研究了Na_(0.5)K_(0.5)NbO_(3)的高压拉曼光谱特性与压致相变行为。研究发现Na_(0.5)K_(0.5)NbO_(3)在高压环境下由于NbO 6八面体的振动模式发生改变,会依次发生正交相到四方相和四方相到立方相的可逆相变过程,其相变压力分别为4.0~5.5 GPa和5.5~6.4 GPa。

Bi_(0.5)(Na_(0.85)K_(0.15))_(0.5)TiO_3压电陶瓷溶胶-凝胶法制备技术研究

分析了溶胶凝胶工艺制备Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5Ti O3微粉中工艺条件的影响,得到了稳定的溶胶,并在750℃合成了颗粒尺寸为100nm左右的微粉;利用该粉体在1175℃烧结得到了性能较好的Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5Ti O3陶瓷,d33=100pC/N,Qm=193.

冷烧并退火制备(Bi_(0.5)Na_(0.5)_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)无铅陶瓷及其结构与电学性能

采用冷烧并退火方法制备了(Bi_(0.5)Na_(0.5)_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)无铅陶瓷,探究了退火温度对陶瓷物相,显微组织,介电、铁电及压电性能的影响。结果表明:冷烧并退火所得陶瓷均呈纯钙钛矿结构,在180℃冷烧所得坯体的相对密度为71.8%。冷烧坯体经1000~1100℃退火所得陶瓷的相对密度为81.7%~97.1%,平均晶粒尺寸为600~800 nm,介电弥散因子为1.85~1.96。在1025、1050、1075和1100℃退火陶瓷的退极化温度分别为130、137、135和123℃;在1075℃退火陶瓷具有最大的饱和极化强度和剩余极化强度,分别为60.9μC/cm^(2)和51.8μC/cm^(2)。与常规固相法烧结的(Bi_(0.5)Na_(0.5)_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)陶瓷的击穿场强(<75 kV/cm)相比,冷烧并退火制备的陶瓷的击穿场强明显增大(>100 kV/cm)。随退火温度从1000℃增大至1100℃,陶瓷的压电常数d 33从52±7 pC/N增大至101±2 pC/N。研究表明,采用冷烧并退火法可在低于常规固相法的烧结温度成功制备具有良好电学性能的(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)陶瓷。

ZnO掺杂Bi_(0.5)(Na_(1-x-y)Li_xK_y)_(0.5)TiO_3无铅压电陶瓷的性能与微结构

利用企业的电子陶瓷工艺制备了ZnO掺杂Bi0.5(Na1-x-yLixKy)0.5Ti O3无铅压电陶瓷,研究了ZnO掺杂对该体系陶瓷的介电压电性能与微观结构的影响.X射线衍射结果表明,当ZnO含量小于0.5wt%时,掺杂的ZnO扩散进入了Bi0.5(Na1-x-yLixKy)0.5Ti O3钙钛矿结构的晶格;SEM观察结果表明,少量的ZnO掺杂可以改善该陶瓷的微结构;介电压电性能研究结果表明,当掺杂量较少时,ZnO对该体系陶瓷的介电压电性能有一定的改善,但不明显.

Research of Lead-free Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)-BaTiO_(3)System Piezoelectric Ceramics

To reduce the coercive field of Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3),Ba TiO_(3)were added as dopant materials.Then the(1-x)Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)-xBaTiO_(3)ceramic samples were produced in solid synthetic way.The optimum preparation condition and piezoelectric properties of the samples were investigated.The XRD results show that the fabric transites from rhombohedral to tetragonal gradually with the substitution of the Ba^(2+).The morphotropic phase boundaries(MPB)exists in the composition range of 0.06.

(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)陶瓷的结构及电学性能:点缺陷效应研究进展

从点缺陷效应角度综述了无铅压铁电陶瓷(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)的结构和电学性能研究进展,分析了(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)陶瓷中点缺陷的类型和存在方式,给出了描述陶瓷点缺陷的相关手段,重点讨论了3种引入点缺陷的手段:离子非计量比、离子掺杂、生长工艺,分析三者对(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)陶瓷的结构和电学性能的影响;给出了离子非计量比、离子掺杂、生长工艺引起(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_(3)陶瓷中点缺陷的种类与浓度差异,以及其所对应的陶瓷结构和电学性能特征,为从点缺陷效应角度设计和调控功能陶瓷的结构和电学性能提供借鉴与参考。

掺锰对[Bi_(0.5)(Na_(1-x)Ag_x)_(0.5)]_(1-y)Ba_yTiO_3系陶瓷压电和介电性能的影响

利用传统陶瓷工艺制备了MnO2(0～0.4wt%)掺杂[Bi0.5(Na1-xAgx)0.5]1-yBayTi O3(x=0.06,y=0.06)无铅压电陶瓷,研究了掺杂对该体系陶瓷的结构、压电和介电性能的影响.结果表明,陶瓷的压电常数d33随锰掺杂量增加而减小;适量锰离子的引入可降低介电损耗tgδ,提高机械品质因数Qm.当锰掺杂量达到0.4wt%时,陶瓷的压电性能大幅度降低.锰含量为0.15wt%时该体系陶瓷具有较好的性能压电常数d33=160pC/N,机电耦合系数kp=34%,kt=52%,介电常数εr=804,机械品质因数Qm=163,介电损耗tgδ=2.0%.

Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)−BaTiO_(3)−SrTiO_(3)陶瓷的相图及电致伸缩性能

目的利用SrTiO_(3)调控Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)−BaTiO_(3)−SrTiO_(3)(NBT−BT−ST)三元系陶瓷的相结构,在室温下获得性能优异的电致伸缩材料,该材料可用于包装机械物料供给微振动器的研发。方法采用传统固相合成法制备(1−x)[0.94NBT−0.06BT]−xST陶瓷。在分析(1−x)[0.94NBT−0.06BT]−xST陶瓷相图的基础上,阐述不同相区应变的来源,并系统研究弛豫相区陶瓷铁电、应变和电致伸缩性能等。结果随着ST含量的增加,(1−x)[0.94NBT−0.06BT]−xST陶瓷的相结构由三方相、四方相两相共存→四方铁电相→铁电相、弛豫相共存→弛豫相。三方、四方两相共存区陶瓷的应变主要来源于晶格变形和非180o畴转向。铁电、弛豫两相共存区陶瓷的应变主要来源于电场引发弛豫相和铁电相的相变。弛豫相区陶瓷的应变主要来源于样品晶格本征变形产生的电致伸缩效应。在弛豫相区,随着ST含量的增大,(1−x)[0.94NBT−0.06BT]−xST陶瓷的弛豫性增强,电滞回线逐渐变瘦,应变和滞后性均出现不同程度的降低,其中,x=0.40的样品在电场强度60 kV/cm下的应变滞后性降至7.8%,表现出典型的电致伸缩特征。在较强的弛豫性和形成纳米极性微区的作用下,在组分x=0.40时陶瓷在电场强度50 kV/cm下的电致伸缩系数高达0.0213 m^(4)/C^(2)。结论通过ST调控NBT基陶瓷的相结构,在弛豫相区能够有效地改善其电致伸缩性能。利用该技术制备的陶瓷电致伸缩材料可为包装机械物料供给微驱动器的研发和改进提供技术支持。

Bi(Ni_(0.5)Sn_(0.5))O_(3)改性钛酸铋钠基无铅储能陶瓷的性能研究

采用固相法制备(1-x)(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)(Ti_(0.96)Zr_(0.04))O_(3)-x Bi(Ni_(0.5)Sn_(0.5))O_(3)(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20)(简称(1-x)NBBTZ-x BNS)陶瓷.研究了(1-x)NBBTZ-x BNS陶瓷的结构,表面形貌,介电性能,储能性能.XRD表明适量BNS可以与NBBTZ陶瓷的晶体结构完美互溶,但过量会产生第二相焦绿石相Bi_(2)Ti_(2)O_(7).介电温谱结果表明(1-x)NBBTZ-x BNS陶瓷表现出弛豫铁电陶瓷的特征,最大介电常数(εm)随BNS含量增加逐渐减小,而εm对应的温度Tm随着BNS含量的增加逐渐增加.当x=0.15时,NBBTZ-BNS陶瓷获得290 kV/cm的击穿电场和4.0 J/cm^(3)的可释放能量密度.

K_(x)Na_(1–x)NbO_(3):Pr^(3+)铁电体的光致发光和应力发光性能

应力发光材料具有应力-光转换特性,能在机械应力下产生发光,从而在光学信息显示方面具有很高的应用价值.本文通过改变铁电基体K_(x)Na_(1–x)NbO_(3)∶0.5%Pr^(3+)(K_(x)NNOP)的K^(+)/Na^(+)比来调节材料的晶体结构和缺陷分布,系统研究了K+含量对光致发光和应力发光性能的影响.研究结果表明,K+含量的增加使晶体对称性提高,导致K_(x)NNOP样品的光致发光强度降低.值得注意的是,在450 nm的光激发下,在K^(+)含量较高的组分中出现了Pr^(3+)电子3P1→3H5和3P0→3H5能级跃迁引起的发射峰,这归因于Pr^(3+)和Nb5+之间距离的变化导致Pr-O-Nb内价电子电荷转移态(IVCT)的能级位置不同.在压缩应力下,K_(x)NNOP(x=0,0.01,0.02,0.1)组分展现出明亮的红色应力发光,且应力发光强度随K+含量的增加而增大,其中K0.1NNOP组分表现出最高的强度发射.特别的是,其应力发光行为具有可重复性和可恢复性的特征.通过热释光曲线研究了K_(x)NNOP样品中的陷阱能级,揭示了K0.1NNOP中应力发光的增强可能与K+含量变化引起的陷阱密度和陷阱深度的差异有关.基于这些结果,建立了一个模型来阐述K_(x)NNOP中可能的应力发光机理.

钠离子电池正极材料Na_(3.5)Mn_(0.5)V_(1.5)(PO_(4))_(3)的制备和电化学性能

采用溶胶凝胶法制备了新型正极材料Na_(3.5)Mn_(0.5)V_(1.5)(PO_(4))_(3)(NMVP),探究Mn^(2+)对NMVP组成、结构和电化学性能的影响。X-射线衍射结果表明,其衍射峰与菱方晶型Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)(NVP)全部对应,合成出的NMVP为纯相,由于半径更大的Mn^(2+)取代了V^(3+),晶胞体积增大。NMVP表现出更好的循环稳定性和倍率性能。NMVP在0.2 C和5 C时的比容量分别为101.6、69.5(mA∙h)/g,远高于NVP的比容量[0.2 C时93.2(mA∙h)/g,5 C时40.2(mA∙h)/g)]。循环50圈后,NMVP仍有94.5(mA∙h)/g的比容量和93.51%的保持率。Mn^(2+)的掺杂能增强NVP的电化学性能。

Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)基无铅陶瓷的制备及电致伸缩效应研究

目的在Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_(3)基陶瓷材料中诱导缺陷来提高其电致伸缩性能,在室温下获得性能优异的电致伸缩材料,该材料可用于包装机械物料供给微振动器的研发。方法利用传统固相合成法制备0.7(Bi_(0.5)Na_(0.5))Ti_(0.9)Mn_(0.1)O_(3)−0.3Sr_((1−3x/2))Bi_(x□x/2)TiO_(3)(NBT−SBxT−Mn)陶瓷。通过掺杂Sr_((1−3x/2))Bi_(x□x/2)TiO_(3),在陶瓷中形成V_(A)−V_(O)局部缺陷,获得具有极性纳米微区的非极性相结构。同时,通过掺杂MnO在陶瓷中形成M_(n)−V_(O)缺陷偶极子,获得滞后小的电致伸缩应变。结果所制备的样品均表现出极性纳米微区的非极性相结构和弥散度高于1.80的典型弛豫特征。随着x的增加,氧空位的含量先降低后明显增大。氧空位含量的降低表明在NBT−SBxT−Mn陶瓷中形成了M_(n)−V_(O)缺陷偶极子。在V_(A)−V_(O)局部缺陷、M_(n)−V_(O)缺陷偶极子、较高弛豫性及形成的极性纳米微区的共同作用下,组分x=0.07样品的电致伸缩系数高达0.036 m^(4)/C^(2),性能优异。结论通过在NBT基陶瓷材料中诱导缺陷能够有效改善其电致伸缩性能。

化学法制备Y掺杂BaTiO_(3)-(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)无铅PTCR陶瓷

用化学法制备了(1-xmol%)BaTiO_(3)-xmol%(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)(BBNTx,x=1,2,3,4,5)高温无铅正温度系数电阻(positive temperature coefficient of resistivity, PTCR)陶瓷。XRD表明所有的BBNTx陶瓷形成了单相的ABO_(3)四方钙钛矿结构。电阻温度特性表明空气中烧结的所有BBNTx陶瓷都能够半导化,具有明显的PTC特性。其中0.2 mol%Y掺杂BBNT1陶瓷,室温电阻率大约为500Ω·cm,电阻突跳比(最大电阻/最小电阻)在2.7个数量级左右,电阻突变温度约130℃。材料的电阻突变温度会随着BNT的增加而略有增加。但BNT的增加会导致室温电阻率明显增大,并且PTC效应也会降低。BBNT5陶瓷的电阻突变温度能够增加到145℃左右,但室温电阻率超过105Ω·cm,电阻突跳只有1个数量级。