【引言】

    無鉛鐵電材料，包括（K0.5Na0.5） NbO3基（KNN）材料，（Bi1/2Na1/2）TiO3基（BNT）材料和（Ba，Ca）（Zr，Ti）O3，作為一類新型鐵電材料，在致動器和傳感器中有著廣泛應(yīng)用。然而，BNT材料在致動過程中存在明顯的遲滯，可能會導(dǎo)致自熱和元件失效。為解決這一難題，近日有學(xué)者研發(fā)出BNT陶瓷基復(fù)合材料，優(yōu)化了無鉛鐵電體的機電響應(yīng)，同時報道了關(guān)于陶瓷復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的研究。

    【成果簡介】

    近日，來自德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的Neamul H. Khansur （通訊作者）等人在Acta Mater.上發(fā)布了一篇關(guān)于無鉛鐵電材料的文章，題為“Investigation of residual stress in lead-free BNT-based ceramic/ceramic composites”。本文中研究了由無鉛鐵電材料組成的陶瓷/陶瓷多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的局部力學(xué)，化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，以及共燒結(jié)對機電性能的影響。作者通過每個樣品的厚度一致進(jìn)行了納米壓痕和EDX實驗，提供了化學(xué)成分，局部力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的直接比較。為確定陶瓷層之間互擴散對晶體結(jié)構(gòu)的影響，使用沿著復(fù)合材料橫截面的微X射線衍射來表征晶體結(jié)構(gòu)，從而觀察這種互擴散的影響以及可能存在的殘余應(yīng)力。

    【圖片導(dǎo)讀】

    圖1 單極應(yīng)變-電場磁滯回線

    陶瓷復(fù)合材料的單極應(yīng)變響應(yīng)增加大于 34％，這是由極化和應(yīng)變耦合引起；此外，由燒結(jié)過程中的體積收縮和熱膨脹失配或界面的互擴散而引起的殘余內(nèi)應(yīng)力也會影響材料的宏觀機電性能。

    圖2 樣品能譜和納米壓痕測試

    化學(xué)成分（基于K和Al含量的EDX分析），晶粒尺寸，彈性模量和硬度隨樣品中的距離而變化。紅線和藍(lán)線分別對應(yīng)于體積種子和基體材料的彈性模量。兩端部件的硬度相同，并用黑色虛線表示。

    圖3 鐵彈性測試

    （a） 室溫下BNT-7BT的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

    （b） 彈性模量與應(yīng)力的關(guān)系曲線。

    圖4 三層復(fù)合結(jié)構(gòu)與單一基體維氏硬度對比

    （a） 三層復(fù)合結(jié)構(gòu)和維氏壓痕示意圖；

    （b） 平行和垂直于界面的裂紋長度；

    （c-f） 光學(xué)顯微鏡圖像。

    圖5 微區(qū)XRD測試

    （a） 陶瓷/陶瓷復(fù)合物從20到70°的衍射圖案；

    （b） 通過樣品厚度計算出的c值、晶格參數(shù)和晶格畸變。

    【小結(jié)】

    這篇文章介紹了無鉛鐵電陶瓷/陶瓷多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的局部力學(xué)，化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性。研究結(jié)果表明，兩個端部元件之間的互擴散和內(nèi)部殘余應(yīng)力導(dǎo)致了BNT-7BT層中晶體結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)的顯著變化以及晶粒尺寸的減小。維氏壓痕實驗表明裂紋擴展具有各向異性，并證實了各層的應(yīng)力狀態(tài)，即BNT-7BT層的壓應(yīng)力和BNKT-6BA層的拉應(yīng)力。數(shù)據(jù)進(jìn)一步闡明了共燒結(jié)對復(fù)合材料的影響，揭示了由于燒結(jié)過程中的相互作用從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變化的存在。這些相互作用可以通過優(yōu)化來提高無鉛壓電材料系統(tǒng)的性能。

    文獻(xiàn)鏈接：Investigation of residual stress in lead-free BNT-based ceramic/ceramic composites （Acta Mater., 12 February, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.014）

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