钛酸铋钠陶瓷固溶NaNbO3压电性能研究

王 瑾 崔 巍 王 静 宋姣姣

（西安科技大学高新学院，陕西 西安 710109）

NaNbO3中介电常数成分较小，其电压性能普遍较高等兼容特点，可气缺存在烧结存在相对低的情况。在本次实验中将存在铅成分的铌酸盐融入进陶瓷中。经试验可得出，其成分较大的降低了陶瓷中铅的比重量。并且对于环境污染的情况也大幅度的降低。根据铅基陶瓷压电材料的研究显示，在铅基陶瓷中固溶适当比例的铌酸盐能够提高其本身的一些性能。比如在PZT-xNN中，压电的常数可以达到696pC/N。

ANbO₃（A=Na）钙钛矿型化合物在实验中能够表现出很多特点，主要包括：居里温度在实验中较高，此外ANbO₃（A=Na）钙钛矿型化合物的压电性能较大。NaNbO3（铌酸钠）在常温情况中以单斜结构呈现，具有反铁电性质，是一种较为常见的钙钛矿结构化合物，其性能主要表现为 a=0.3914nm、b=0.3881nm、c=0.3914nm、居里温度：640℃。此外，NaNbO3具有着较高程度的诱发铁电性。

本文在二元系钛酸铋钠陶瓷的基础上固溶反铁电体NaNbO3组成A和B双位复合置换三元体系NKBT-NN，并加以系统的研究，分析出相结构、准同型相界组成的特征以及压铁压电的性能，寻求材料的组成来总结出材料对结构以及性能的作用。

1 NKBT-NN的陶瓷结构以及其电学性能分析

1.1 相组成及准同型相界特征的分析

通过NKBT-NN陶瓷在室温下的XRD图谱我们可以看出。在二元系NKBT陶瓷中固溶反铁电相铌酸钠，所显示的陶瓷样品都是单一的钙钛矿结构，没有任何的杂相生成。而且在衍射峰在40°附近的时候表现为（003）/（021）双峰，衍射峰在47°时则表现为（002）/（200）双峰，所以可以得出在 x=0.04-0.16时，材料是处在准同型材料的相界处。

增加 NaNbO3的引入量之后，半径较小的材料会逐渐被半径较大的材料所替代，这样就会导致晶胞体积变大、晶面间距变大以及衍射峰向角度更低的方向移动。NaNbO3的引入不能解决其原有的三方-四方共同存在的结构，所以可以看出在三元系陶瓷中，在x=0.04-0.16的时候，材料会处于准同型相界。

1.2 显微组织分析

陶瓷的表面上的晶粒一般都是规则的几何形状，而且样品中的每个晶粒都十分细小，晶粒间的间隙也都十分恰当，结合也相对较好，大小搭配均匀，致密度很高。但其中也存在这一些气孔。随着 NaNbO3在陶瓷中含量的增加，陶瓷表面的晶粒逐渐变大，但当 NaNbO3的含量继续增大的时候，陶瓷表面的晶粒生长速度逐步放缓，通过这些可以看出NaNbO3的含量大小会影响到陶瓷表面晶粒的大小，且在NaNbO3的含量达到一定的数值时，陶瓷表面的晶粒尺寸会变得十分均匀，排列也会变得十分紧密。

1.3 介电性能分析

通过在频率1-1000kHz，温度100-600℃时的NKBT-NN介电温谱曲线可以看出，材料会在120℃左右的时候出现第一个峰值即低温反常峰，在300℃左右出现第二个峰值即高温反常峰，这两个峰值分别对应了材料在频率升温过程中的铁电-反铁电相以及反铁电-顺电相的变化。而且可以发现相对的介电常数和材料的频率两者之间有着很大的依赖性，随着材料频率的增加，介电常数的峰值会有着很明显的变宽迹象，会变成一个拓展的温暖区域，而并非依旧是一个尖锐的峰，表现出弥散相变的特性。而且随着材料的测试频率不断增加，高温介电中的反常峰会逐渐的向低方向温偏移，出现频率色散的特性。

NaNbO3含量的继续不断增加，会导致高温介电反常峰出现很明显的压峰现象，材料中的弥散性也会随之加强。由于B位Nb5+的引入导致出现原材料的Ti4+进行不等取价，增加了B位的空位，导致铁电体中的有序结构被破坏，而且NaNbO3的含量增加导致A和B位的离子同时无序的增加，使得材料表现出很强的驰豫铁电体特性。

2 NKBT-NN高温电导特性的研究

通过观察NKBT-NN陶瓷在1kHz时的电阻率以及电导率的变化可以看出，在温度增高的同时，NKBT-NN材料在实验中温度会由于电阻率快速下降到最低值再次提高到500℃上下，而在上升后再开始出现下降。而材料的电导能力和自身的电阻率正好呈相反状态。通过不断提高NaNbO3的含量，材料晶格中的各个离子的不等价将会出现取代有氧空位的情况。当材料通过高温进行烧结之后，材料当中相反电荷将由于库仑力影响进行反应，最终形成具有缺陷的偶极子。也是在氧空位和缺陷偶极子相互作用下，才导致材料的电导率不断变出现化。当材料处于低温情况下，如果温度不断增高，NN材料比例不断上升，材料的氧空位浓度将进一步增加，而在激活能量不足的情况下，材料的电导率会出现快速增加的情况；在高温区，随着温度的不断增高，使得有氧空位浓度相对减少，所以电导率会不断的下将。在更高的温度时，随着NN的引入量不断加大，阳离子晶格上的晶体会没有秩序的增强，从而导致电导率飞速上升。

3 NKBT-NN铁电、压电性能研究

通过观察NN含量不相同的情况下的NKBT-NN陶瓷电滞回线图，可以得出在NaNbO3的引入量不断增加的时候，会对电滞回线中带有铁电特征的回线产生有利的影响。且剩余材料的极化强度也会得到很大的提高；从中可以得出 NaNbO3的引入会对钛酸铋钠剩余极化强度的提高起到十分关键的作用，使得材料的极化度增加。

NKBT-NN体系陶瓷的压电常数由于受到不同含量的NaNbO3的影响，其机械品质因数、压电常数以及机电耦合系数都会发生变化，由此我们可以看出压电常数以及机电耦合系数会随着NaNbO3的引入量增加而逐渐减小，而机械品质因数则恰恰相反。随着 NaNbO3引入量的不断增加，材料的晶粒尺寸增加，材料的剩余极化强度也会逐渐变大，极化变得更为容易，压电性能也有着一定的提升，但是一旦NaNbO3的引入量过高，陶瓷的内部会产生很大的内应力，使得晶体的生长速度放缓，晶体的尺寸也会逐渐变小，压电性能逐渐降低，在两种离子的作用下，材料的机电耦合系数以及压电常数会先增加之后降低。

4 结论

本文主要是研究 NaNbO3引入对钛酸铋钠材料在实验中的压电性能，在准同型相界构成的钛酸铋钠材料体系中进行常规的固相反应实验。在实验中，碱金属铌酸盐会在钛酸铋钠中出现固溶反应，而在实验中碱金属铌酸盐含量不断增加，实验材料的衍射峰值也出现了不同程度的偏移现象。

综上所述，钛酸铋钠材料的实用实验是我国甚至国际相关组织机构研究的重要项目之一，通过本文的实验测试成果能够分析出：在NKBT-NN材料体系当中，由于同型相界出，因此其综合性能表现的十分优异，在实际应用中具有机电耦合系数较高、机械品质因数低等优势，所以在一些小功率超声波接收设备以及驱动仪器的制造过程中具有很高的实用性。