【摘 要】
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压电陶瓷是能够实现机械能与电能相互转换的功能材料,已广泛用于马达、声波探测、能量收集等领域。目前锆钛酸铅(PbTixZr1-xO3,PZT)陶瓷使用最为广泛,然而铅有毒性,PZT在工业生产和使用及处理废弃物的过程中,可能会对人体或环境造成危害,因此寻找可以替代PZT的新型无铅压电材料已经成为目前研究发展的热点及趋势。本文以新材料开发和新性能探索为目标,以钙钛矿型无铅压电陶瓷KxNa1-xNb O3
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压电陶瓷是能够实现机械能与电能相互转换的功能材料,已广泛用于马达、声波探测、能量收集等领域。目前锆钛酸铅(PbTixZr1-xO3,PZT)陶瓷使用最为广泛,然而铅有毒性,PZT在工业生产和使用及处理废弃物的过程中,可能会对人体或环境造成危害,因此寻找可以替代PZT的新型无铅压电材料已经成为目前研究发展的热点及趋势。本文以新材料开发和新性能探索为目标,以钙钛矿型无铅压电陶瓷KxNa1-xNb O3及其掺杂体系为研究对象,基于第一性原理方法,采用VASP计算软件,对其结构、电子、弹性及压电性质进行了研究,可为开发更高压电性能的无铅压电陶瓷奠定理论基础。主要研究内容和结果如下:1.采用第一性原理方法,研究了KxNa1-xNb O3的结构、弹性、电子及压电等性质。计算结果表明:当x<0.4375时,该体系不满足Born稳定准则判据;Na的加入可以稍微改善KNb O3的压电应力张量和压电应变张量,这有助于提高KNb O3的压电性能,当x=0.5时K0.5Na0.5Nb O3的压电性能(e33和d33)最好,优于KNb O3,与实验结果相吻合。2.采用第一性原理方法,对比研究了钙钛矿型无铅压电材料Bi0.5M0.5Ti O3（M=Li,Na,K）、Li Ta O3和Ba Ti O3的结构、弹性、电子及压电性质。计算结果表明:BMT三者具有较相近的硬度值,而Li Ta O3相比于Ba Ti O3则显得更“坚硬”些;BNT具有最高的压电应力e33（10.93 C/m2）和d33（56.48 p C/N）,而Li Ta O3和Ba Ti O3则具有对KNN体系改性的潜力。3.采用第一性原理方法,研究了正交相KNb O3和（Ba Ti O3,Li Ta O3）改性KNb O3的结构、弹性、压电和电子性质。弹性性质结果表明,掺杂有助于调整KNb O3的弹性,使其变得更“柔软”;能带结构表明,掺杂对KNb O3的能带结构影响更大,Li Ta O3掺杂可以增加带隙宽度;Born有效电荷结果表明,KNb O3的压电性来自O-Nb原子,Ba Ti O3和Li Ta O3的掺杂有助于增加Born有效电荷并改善压电性能;压电性质结果表明,两种物质的掺杂有助于提高KNb O3的压电性能,特别是Li Ta O3可以将其压电性能提高5倍以上,达到135 p C/N。
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