鈦酸鉍鈉陶瓷固溶NaNbO3壓電性能研究

王 瑾 崔 巍 王 靜 宋姣姣

（西安科技大學高新學院，陜西 西安 710109）

NaNbO3中介電常數成分較小，其電壓性能普遍較高等兼容特點，可氣缺存在燒結存在相對低的情況。在本次實驗中將存在鉛成分的鈮酸鹽融入進陶瓷中。經試驗可得出，其成分較大的降低了陶瓷中鉛的比重量。并且對于環境污染的情況也大幅度的降低。根據鉛基陶瓷壓電材料的研究顯示，在鉛基陶瓷中固溶適當比例的鈮酸鹽能夠提高其本身的一些性能。比如在PZT-xNN中，壓電的常數可以達到696pC/N。

ANbO?（A=Na）鈣鈦礦型化合物在實驗中能夠表現出很多特點，主要包括：居里溫度在實驗中較高，此外ANbO?（A=Na）鈣鈦礦型化合物的壓電性能較大。NaNbO3（鈮酸鈉）在常溫情況中以單斜結構呈現，具有反鐵電性質，是一種較為常見的鈣鈦礦結構化合物，其性能主要表現為 a=0.3914nm、b=0.3881nm、c=0.3914nm、居里溫度：640℃。此外，NaNbO3具有著較高程度的誘發鐵電性。

本文在二元系鈦酸鉍鈉陶瓷的基礎上固溶反鐵電體NaNbO3組成A和B雙位復合置換三元體系NKBT-NN，并加以系統的研究，分析出相結構、準同型相界組成的特征以及壓鐵壓電的性能，尋求材料的組成來總結出材料對結構以及性能的作用。

1 NKBT-NN的陶瓷結構以及其電學性能分析

1.1 相組成及準同型相界特征的分析

通過NKBT-NN陶瓷在室溫下的XRD圖譜我們可以看出。在二元系NKBT陶瓷中固溶反鐵電相鈮酸鈉，所顯示的陶瓷樣品都是單一的鈣鈦礦結構，沒有任何的雜相生成。而且在衍射峰在40°附近的時候表現為（003）/（021）雙峰，衍射峰在47°時則表現為（002）/（200）雙峰，所以可以得出在 x=0.04-0.16時，材料是處在準同型材料的相界處。

增加 NaNbO3的引入量之后，半徑較小的材料會逐漸被半徑較大的材料所替代，這樣就會導致晶胞體積變大、晶面間距變大以及衍射峰向角度更低的方向移動。NaNbO3的引入不能解決其原有的三方-四方共同存在的結構，所以可以看出在三元系陶瓷中，在x=0.04-0.16的時候，材料會處于準同型相界。

1.2 顯微組織分析

陶瓷的表面上的晶粒一般都是規則的幾何形狀，而且樣品中的每個晶粒都十分細小，晶粒間的間隙也都十分恰當，結合也相對較好，大小搭配均勻，致密度很高。但其中也存在這一些氣孔。隨著 NaNbO3在陶瓷中含量的增加，陶瓷表面的晶粒逐漸變大，但當 NaNbO3的含量繼續增大的時候，陶瓷表面的晶粒生長速度逐步放緩，通過這些可以看出NaNbO3的含量大小會影響到陶瓷表面晶粒的大小，且在NaNbO3的含量達到一定的數值時，陶瓷表面的晶粒尺寸會變得十分均勻，排列也會變得十分緊密。

1.3 介電性能分析

通過在頻率1-1000kHz，溫度100-600℃時的NKBT-NN介電溫譜曲線可以看出，材料會在120℃左右的時候出現第一個峰值即低溫反常峰，在300℃左右出現第二個峰值即高溫反常峰，這兩個峰值分別對應了材料在頻率升溫過程中的鐵電-反鐵電相以及反鐵電-順電相的變化。而且可以發現相對的介電常數和材料的頻率兩者之間有著很大的依賴性，隨著材料頻率的增加，介電常數的峰值會有著很明顯的變寬跡象，會變成一個拓展的溫暖區域，而并非依舊是一個尖銳的峰，表現出彌散相變的特性。而且隨著材料的測試頻率不斷增加，高溫介電中的反常峰會逐漸的向低方向溫偏移，出現頻率色散的特性。

NaNbO3含量的繼續不斷增加，會導致高溫介電反常峰出現很明顯的壓峰現象，材料中的彌散性也會隨之加強。由于B位Nb5+的引入導致出現原材料的Ti4+進行不等取價，增加了B位的空位，導致鐵電體中的有序結構被破壞，而且NaNbO3的含量增加導致A和B位的離子同時無序的增加，使得材料表現出很強的馳豫鐵電體特性。

2 NKBT-NN高溫電導特性的研究

通過觀察NKBT-NN陶瓷在1kHz時的電阻率以及電導率的變化可以看出，在溫度增高的同時，NKBT-NN材料在實驗中溫度會由于電阻率快速下降到最低值再次提高到500℃上下，而在上升后再開始出現下降。而材料的電導能力和自身的電阻率正好呈相反狀態。通過不斷提高NaNbO3的含量，材料晶格中的各個離子的不等價將會出現取代有氧空位的情況。當材料通過高溫進行燒結之后，材料當中相反電荷將由于庫侖力影響進行反應，最終形成具有缺陷的偶極子。也是在氧空位和缺陷偶極子相互作用下，才導致材料的電導率不斷變出現化。當材料處于低溫情況下，如果溫度不斷增高，NN材料比例不斷上升，材料的氧空位濃度將進一步增加，而在激活能量不足的情況下，材料的電導率會出現快速增加的情況；在高溫區，隨著溫度的不斷增高，使得有氧空位濃度相對減少，所以電導率會不斷的下將。在更高的溫度時，隨著NN的引入量不斷加大，陽離子晶格上的晶體會沒有秩序的增強，從而導致電導率飛速上升。

3 NKBT-NN鐵電、壓電性能研究

通過觀察NN含量不相同的情況下的NKBT-NN陶瓷電滯回線圖，可以得出在NaNbO3的引入量不斷增加的時候，會對電滯回線中帶有鐵電特征的回線產生有利的影響。且剩余材料的極化強度也會得到很大的提高；從中可以得出 NaNbO3的引入會對鈦酸鉍鈉剩余極化強度的提高起到十分關鍵的作用，使得材料的極化度增加。

NKBT-NN體系陶瓷的壓電常數由于受到不同含量的NaNbO3的影響，其機械品質因數、壓電常數以及機電耦合系數都會發生變化，由此我們可以看出壓電常數以及機電耦合系數會隨著NaNbO3的引入量增加而逐漸減小，而機械品質因數則恰恰相反。隨著 NaNbO3引入量的不斷增加，材料的晶粒尺寸增加，材料的剩余極化強度也會逐漸變大，極化變得更為容易，壓電性能也有著一定的提升，但是一旦NaNbO3的引入量過高，陶瓷的內部會產生很大的內應力，使得晶體的生長速度放緩，晶體的尺寸也會逐漸變小，壓電性能逐漸降低，在兩種離子的作用下，材料的機電耦合系數以及壓電常數會先增加之后降低。

4 結論

本文主要是研究 NaNbO3引入對鈦酸鉍鈉材料在實驗中的壓電性能，在準同型相界構成的鈦酸鉍鈉材料體系中進行常規的固相反應實驗。在實驗中，堿金屬鈮酸鹽會在鈦酸鉍鈉中出現固溶反應，而在實驗中堿金屬鈮酸鹽含量不斷增加，實驗材料的衍射峰值也出現了不同程度的偏移現象。

綜上所述，鈦酸鉍鈉材料的實用實驗是我國甚至國際相關組織機構研究的重要項目之一，通過本文的實驗測試成果能夠分析出：在NKBT-NN材料體系當中，由于同型相界出，因此其綜合性能表現的十分優異，在實際應用中具有機電耦合系數較高、機械品質因數低等優勢，所以在一些小功率超聲波接收設備以及驅動儀器的制造過程中具有很高的實用性。