铌酸钾钠纳米棒阵列的取向生长和压电性能研究
knn纳米纤维的制备和表征
齐齐哈尔大学毕业设计（论文）题目溶胶凝胶法铌酸钾钠纳米纤维的制备与表征学院材料科学与工程学院专业班级无机083 班学生姓名张智颖指导教师杨秀英成绩2012年6月15日摘要压电陶瓷是指当对压电材料施加外力、形变会使压电材料产生电位差而放电的陶瓷。
铌酸钾钠是一种无铅压电陶瓷，因为其无铅无毒、压电性能优良，现在被越来越多的学者研究。
铌酸钾钠陶瓷纤维也被应用于电磁、医疗、超声等多个领域。
本文实验对溶胶凝胶法铌酸钾钠纤维的制备进行多次尝试，并制备出了直径在2～3μm之间、单根不分叉直径在6～15μm之间的纤维。
通过X射线衍射仪、扫描电镜所试验得数据的进行多次多组分析与比较，多次逐步改进工艺。
最后得出离子浓度、溶剂、胶体浓度对静电纺丝的胶体影响；原料、离子浓度对制备出的铌酸钾钠纤维晶态的影响；纺丝时间、烧结时间、烧结温度对铌酸钾钠纳米纤维的形貌影响。
并且确定了较为优秀的铌酸钾钠纳米纤维的制备工艺：溶胶中铌酸钾钠的浓度取为0.6mol/L、溶胶中钾钠铌元素的比例取Na:K:Nb=0.6:0.6:1，静电纺丝时设置电压为22kV、时间取4h，静电纺丝收集到的纤维烧结时设置烧结温度为650℃、时间取4min。
关键词：铌酸钾钠；溶胶凝胶法；静电纺丝；烧结工艺AbstractNiobate potassium and sodium is a lead-free piezoelectric ceramics, because of its lead-free non-toxic, excellent piezoelectric properties, are now more and more scholars study. In this paper experiments on the sol-gel method niobate potassium and sodium Fibers several attempts, and prepare a fiber diameter of between 2 and 3μm, a single bifurcation diameter of 6-15μm. Tested by X-ray diffraction, scanning electron microscopy data repeatedly multi-group analysis and the comparison many times, many times the gradual improvement process. The conclusion that the ion concentration, solvent, colloidal concentration electrospinning colloid; raw materials, the ion concentration on the preparation of potassium sodium niobate fiber crystalline; spinning time, sintering time, sintering temperature, acid, potassium and sodium on the niobium nano-fiber morphology. And more niobate potassium and sodium Nanofibers process: take niobate potassium and sodium concentration in the sol 0.6mol/L sol in the ratio of potassium and sodium niobium take of Na:K:Nb=0.6:0.6:1 electrospinning set the voltage of 22kV, the time to take four hours, set electrospinning collection fiber sintering sintering temperature of 650°C, time to take four minutes.Key words: Potassium sodium niobate; sol-gel method; electrospinning; sintering process目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1纳米材料 (1)1.1.1 纳米材料的特性与定义 (2)1.1.2 纳米材料的用途 (3)1.2静电纺丝（电纺） (4)1.2.1 静电纺丝基本概念 (4)1.2.1 静电纺丝装置与原理 (4)1.2.3 影响静电纺丝的因素 (9)1.3溶胶-凝胶法（Sol-Gel） (10)1.3.1 水解反应 (11)1.3.2 聚合反应 (11)1.4压电陶瓷纤维 (12)1.4.1 压电材料的发现与机理 (12)1.4.2 压电材料的分类 (12)1.4.3 铌酸钾钠纳米陶瓷纤维 (13)1.5铌酸钾钠纤维的研究意义、目标和内容 (13)第2章实验部分 (15)2.1实验试剂及仪器 (15)2.1.1 实验试剂及原料 (15)2.1.2 实验仪器 (16)2.2实验步骤 (16)2.2.1 草酸铌溶液的制备 (16)2.2.2 铌酸钾钠溶胶凝胶 (17)2.2.3 静电纺丝 (17)2.2.4 烧结方法 (18)2.3分析测试方法 (18)2.3.1 SEM显微形貌观察 (18)2.3.2 XRD分析 (18)2.3.3 EDS元素分析 (18)第3章结果与讨论 (19)3.1胶体性能研究 (19)3.1.1 Nb5+、Na+与K+浓度对胶体稳定性的影响 (19)3.1.2 铌原料对铌酸钾钠晶形的影响 (20)3.1.3 不同溶剂对静电纺丝的影响 (21)3.1.4 胶体稳定性的对样品的影响 (21)3.1.5 提高胶体稳定性的方法 (22)3.2静电纺丝性能研究 (23)3.3烧结性能研究 (25)3.3.1 烧结时间对形貌的影响 (25)3.3.2 烧结温度对形貌的影响 (27)结论 (28)参考文献 (29)致谢 (30)第1章绪论1.1 纳米材料纳米材料是21世纪最具有前景的材料，然而纳米这个词也不断出现在我们身边。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究进展
第23卷 第2期2009年 5月山 东 轻 工 业 学 院 学 报J OURNAL OF S HANDONGI NS T I TUTE OF L I GHTI NDUS TRY Vo.l 23 No .2M ar . 2009收稿日期:2009-03-20基金项目:济南市科学技术发展计划项目(046039)作者简介:郑凯(1985-),男,山东省泰安市人,山东轻工业学院材料科学与工程学院硕士研究生,研究方向:功能陶瓷.文章编号:1004-4280(2009)02-0013-04铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究进展郑 凯,沈建兴,范战彪,马 元(山东轻工业学院材料科学与工程学院,山东济南250353)摘要:铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究和开发是当前压电铁电材料领域的研究热点之一。
本文结合近期国内外有关无铅压电陶瓷论文,综述了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的性能和改性方法,简介了几种最先进的制备方法,并分析了无铅压电陶瓷发展趋势。
关键词:铌酸盐;无铅压电陶瓷;掺杂;改性中图分类号:T M225 文献标识码:AR esearch and advances of the KNbO 32Na NbO 3base lead 2free p iezoelectric cera m icsZ HENG Ka,i S HEN Jian 2xing ,F AN Zhan 2biao ,MA Yuan(Scho ol ofM ater i a l Sc i ence and Engi neeri ng ,Shandong Institute of Lig h t Industry ,Jinan 250353,Ch i na)Abstr act :The research and deve lopment ofKNbO 32N a N bO 3base lead 2free piez oe lectric cera m ics is hot i n the fie l d of p i e zoe lectric and f err oe lectric materia ls .Th is paper revie ws the perf or mance and mod ifi e smethods of the KNbO 32N a N bO 3base lead 2f ree piez oe l e ctric cera m ics ,introduces several latest preparation methods briefl y ,and ana l y zes the development trend of lead 2free p iezoelectric cera m ics .K ey w ord s :n i o bate ;l e ad 2free p iezoelectric cera m ics ;doped ;mod ified0 引言压电陶瓷材料在压电材料中的用途最广、最频繁,是一类极为重要的国际竞争激烈的高技术新型功能材料,在当今信息工业时代,压电陶瓷材料在电子学、光电子学等诸多高科技领域应用甚广,如在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用,其销售额在整个电子功能陶瓷材料的世界贸易市场中的份量多于1/3[1,2]。
K0.5Na0.5NbO3纳米管阵列的制备及其电学性能研究
纳米管 因具有 表面积 大 、 极好 的化 学稳定 性 、 抗腐 蚀性 等性质 引起人 们极大 兴 趣＿ ］纳米管 的制备 ｌ． ５ 。
方法有 热蒸 发法ｌ 、 ８ 液相合成 法＿ 和 阳极氧 化铝模板 （ ］ ９ Ｊ ＡＡＯ） 】 等 ， 中 ＡＡＯ模 析法 设 备简单 、 法ｌ 。 其 。 耗费
收稿 日期 ：２ｌ 一０ —２ ＯＯ １ ５ 基金项 目：国家 自然科 学基 金 （０ ７０ １５９２４）湖北 省基 金 （０９ Ｄ ０５资 助 ５８２３ ，０００ ６ ， ２０Ｃ Ｂ ８） 作者简介： 钱哲理（９５ ）男 ， １８ 一 ， 硕士； 顾豪爽， 通信作者 ，ｒ ｉ ｇｈｈ８＠ｙｈｏ ｃ Ｅｎ ｌ ｕ ｓ５３ ａｃ．ｎ ａ：
采用 Ｗ ｈ ｔ ｎ公 司生产 的孔 径 ２ ０ｎ 的阳极 氧化 铝膜 为模 板 ， ａｍａ ０ ｍ 浸入 上述 配 制 的溶胶 并在 负压 环 境 中
静 置 １ ｎ取 出模板后 将表 面擦拭 干净并 在红外 灯下烘 干 ， 复上述 操作 ３ ０ｍｉ． 重 ～５次 ， 后将 干燥后 的模 最
低、 模板 孔径 尺寸可 控 ， 孔径 在 １ ￣２０ｎ 范 围内 的 ＡＡＯ模板 在高 温或有机 环境 中非 常 稳定 ， ０ ０ ｍ 模板 沟 道孔径 和沟 道的 内部结构来 调节所 合 成 纳米 管 的直 径 和形 貌［ ］Ｚ ａ ｇ等［＿ ＡＡ０模 板 法 制备 了 １１． ｈｎ １３ １用 ４ ＿ ＢＦ Ｏ。 ｉｅ 纳米 管并 对其压 电性质 进行研 究 ； ｎ ＿＿ Ｗａｇ等ｌ 采用 溶胶一 １ ５ 凝胶 ＡＡＯ模 板法制 备 出多 晶钙 钛矿 结 构 Ｂｓｓ ５ 。 纳 米 管 阵 列 并 研 究 了其 铁 电 性 能 ；ａｙｎｒ ｉｇ ｉ Ｎｄ Ｔｉ０２ ． Ｓ ｔｅｄａＳｎ ｈ等¨ ｌ 同样 采 用 该 法 制 备 了
铌酸钾钠基无铅压电织构陶瓷的制备及电性能的研究
ＫＮＮ—ＢＴ织构陶瓷的制备与表征……………………………………．７４
４．３．２织构陶瓷的生长机制的研究…………………………………………．７８
４．３．３
ＫＮＮ—ＢＴ织构陶瓷的电学性能………………………………………．８０
４．４本章小结……………………………………………………………………一８３ 第五章棒状铌酸盐模板制备ＫＮＮ织构陶瓷………………………………………８７ ５．１引言…………………………………………………………………………．．８７ ５．２实验的制备…………………………………………………………………．．８７ ５．３实验结果及讨论……………………………………………………………一８７ ５．３．１热处理条件对ＫＮＮ织构陶瓷形成的影响…………………………．８７ ５．３．２棒状模板浓度对ＫＮＮ织构陶瓷的影响……………………………．８９ ５．３．３不同种类模板对ＫＮＮ陶瓷取向度的影响…………………………．９３
ＶＩＩ
插图清单
图１．１多晶型相变与准同型相变的区别‘５ ７１………………………………………４ 图１．２ ＴＧＧ与ＲＴＧＧ技术的区别……………………………………………………．８ 图１．３ ＴＧＧ技术制备织构陶瓷的ＳＥＭ照片：
（Ａ）ＳｒＢｉ４Ｙｉ４０１５【１２０１， （Ｂ）
０．９４５ＮＢＴ．．０．０５５ＢＴ［３１１．．．．．．．．．．．…．．…．．．．…．．．…．．…．．…．．．．．．．．…．…．．．．．．…．…．．．…．．．．．．．．…．．…．．…．．．．９
１１７０‘ｌ（：：…………．………．．…．……．…．………．．．．……．．………．……．…．．．．．．……．…………．……．．………４２
图２．１２熔盐法制备Ｂ６Ｔ１７在１１５０ ｏＣ，不同保温时间的ＳＥＭ照片（ａ）１ ｈ，（ｂ）
纳米铌酸钾钠陶瓷的制备及性能
纳米铌酸钾钠陶瓷的制备及性能王超;陈静;陈红丽;侯育冬;朱满康【摘要】以新型溶胶-凝胶法制备的平均晶粒尺寸为30 nm的铌酸钾钠粉体为原料,采用放电等离子体烧结工艺,在烧结温度为900℃,压力30 MPa,烧结时间1 min 的条件下,制备得到纯正交相,相对密度高达99％以上,平均晶粒尺寸为40 nm的纳米铌酸钾钠陶瓷,并对该陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和铁电性能进行了研究.结果表明,与普通微米晶陶瓷不同,纳米铌酸钾钠陶瓷的室温介电常数仅为341,并且随温度变化不明显,表现出明显的介电弛豫现象,弥散因子γ为1.60,并具有明显的电滞回线,矫顽场强度为13.5 kV/cm,剩余极化为1.5 μC/cm2.尺寸降低所引起的纳米铌酸钾钠陶瓷中晶界相所占的比例增大是其性能变化的主要原因,并且可以推断,如果铌酸钾钠陶瓷具有"临界尺寸",那么其值应该在40 nm以下.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2015(030)001【总页数】6页(P59-64)【关键词】铌酸钾钠;纳米陶瓷;介电弛豫;电滞回线【作者】王超;陈静;陈红丽;侯育冬;朱满康【作者单位】北京物资学院物流学院,北京101149;北京物资学院物流学院,北京101149;北京物资学院物流学院,北京101149;北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京100124;北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京100124【正文语种】中文【中图分类】TM282目前, 商用的压电陶瓷仍以Pb(Zr, Ti)O3(锆钛酸铅, 缩写为PZT)基材料为主。
但是, PZT 基陶瓷的主要生产原料为PbO, 它具有较大的毒性, 在生产和回收处理过程中都会对人类健康和环境造成很大的损害。
因此, 研究性能优异的无铅压电陶瓷来替代铅基压电陶瓷是目前压电陶瓷研究的紧迫任务。
近年来, 无铅压电陶瓷的研究主要集中在碱金属铌酸盐和钛酸铋盐等体系中。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的高压电活性研究进展
专题：电介质材料和物理铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的高压电活性研究进展*邢洁# 谭智# 郑婷 吴家刚 肖定全 朱建国†(四川大学材料科学与工程学院, 成都 610064)(2020 年2 月25日收到; 2020 年3 月20日收到修改稿)以Pb(Zr1–x Ti x)O3 (PZT)为代表的铅基压电陶瓷因为具有良好的压电性能和机电耦合性能已被广泛应用于科技、工业、军事以及日常生活中. 但是, PZT基陶瓷中Pb的含量超过了60% (质量比), 在生产、使用及废弃处理过程中都会给人类生态环境造成严重损害. 因此, 发展无铅压电陶瓷已成为世界压电陶瓷研究的热点之一. 铌酸钾钠 (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN)无铅压电陶瓷因为具有较为优异的压电性能以及较高的居里温度, 被认为是最可能取代铅基压电陶瓷的材料体系之一. 经过研究者们的努力工作, 改性后的KNN基无铅压电陶瓷压电性能已经接近或超过了某些铅基压电陶瓷的性能. 本文综合介绍了具有高压电活性的KNN基无铅压电陶瓷国内外的研究进展, 重点阐述了高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制备工艺及相关理论基础的研究进展, 并就今后铌酸钾钠基无铅压电陶瓷研究发展的方向及前景提出建议.关键词：无铅压电陶瓷, 铌酸钾钠, 起源, 高压电性能PACS：77.84.–s, 77.80.B–, 77.80.Dj, 77.84.Ek DOI: 10.7498/aps.69.202002881 引 言压电材料能够将机械能和电能互相转换, 已经在各种电子器件中得到应用[1,2]. 常见的压电材料有压电单晶、压电陶瓷、压电高分子材料以及压电复合材料等. 其中, 压电陶瓷因为具有制备工艺简单、成本低廉、性能优异、性能可控性强等特点, 已经被广泛应用于科技、工业、军事以及日常生活中,对整个国民经济的发展有着深刻的影响.随着现代科学技术的进步和发展, 压电陶瓷从最初的BaTiO3 (BT)体系发展到以Pb(Zr1–x Ti x) O3 (PZT)为代表的铅基压电陶瓷体系. 由于在准同型相界(MPB)附近的PZT基陶瓷具有非常优异的综合电学性能, 因此目前应用最为广泛. 但是, PZT基陶瓷中Pb的含量约为原料总量的60%,而Pb的毒性以及易挥发性使铅基压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中都会给生态环境和人类自身健康造成严重损害[3,4]. 近年来, 世界各国都立法禁止使用含铅的电子材料, 如欧盟颁布执行的《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(Restriction on the Use of Hazardous Substancces), 日本通过的《家用电子产品回收法案》, 我国信息产业部出台的《电子信息产品污染防治管理办理》等. 因此, 发展环境友好的无铅压电陶瓷成为当前国际压电材料研究的热点之一[3,5−8].目前, 主要的无铅压电陶瓷可分为以下几种结构: 钙钛矿结构、钨青铜结构、铋层状结构. 因为钙钛矿结构压电陶瓷的压电性能优异, 制备工艺与传统铅基陶瓷工艺兼容, 是目前研究最广泛的一大类无铅压电陶瓷. 常见的钙钛矿结构无铅压电陶瓷主要包括BT基、钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3, BNT)基和铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3, KNN)基等.作为最早发现的BT压电陶瓷, 具有介电常数* 国家自然科学基金(批准号: 51932010, 51722208, 51332003) 资助的课题.# 同等贡献作者.† 通信作者. E-mail: nic0400@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 高、机电耦合系数大、介电损耗较小等特点, 但是因为该类陶瓷的居里温度较低(T C ≈ 120 ℃), 其物理性能的温度稳定性差, 并且烧结温度高(大于1350 ℃), 因此, 需要大幅度提升其压电性能来满足实际应用的需求. 目前, 更多地是利用BT陶瓷具有高介电性能的特点而作为介质材料进行应用.BNT陶瓷具有较高居里温度(T C ≈ 320 ℃)、高剩余极化强度(P r ≈ 38 µC/cm2)、较好的压电性能以及较低的烧结温度[9], 但BNT陶瓷室温下矫顽场很大(E c ≈ 73 kV/cm)、去极化温度较低(约为100 ℃)等, 从而限制了该类陶瓷的进一步应用.KNN基陶瓷具有高居里温度(T C ≈ 420 ℃)和较好的压电性能, 但是纯的KNN陶瓷存在高温下K, Na等元素易挥发、工艺敏感性强、难以通过传统陶瓷工艺实现致密化等问题, 长期以来研究进展缓慢. 2004年, Saito等[10]通过化学掺杂改性,利用反应模板晶粒生长(RTGG)法制备的KNN 基织构陶瓷性能达到d33 ≈ 416 pC/N, 机电耦合系数k p ≈ 0.61, T C ≈ 253 ℃. 2018年, Li等[11]采用织构化工艺, 加入3 mol%的NaNbO3作为模板制备的0.96(K0.5Na0.5)(Nb0.965Sb0.035)O3-0.01Ca ZrO3-0.03(Bi0.5K0.5)HfO3织构陶瓷体系, 其d33高达700 pC/N, k p ≈ 0.76, T C ≈ 242 ℃. 2019年, Tao 等[12]采用固相合成法, 制备的(0.96–x)K0.48Na0.52 Nb0.95Sb0.05O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5HfO3-0.4% Fe2O3-x AgSbO3非织构陶瓷, 其d33可达到(650 ±20) pC/N, T C ≈ 180 ℃. 这些陶瓷的性能接近甚至超过了PZT4的性能, 表明KNN基陶瓷是最有可能取代铅基压电陶瓷的无铅压电材料体系之一.本文基于国际最新研究结果和研究工作, 综合分析并简要介绍了KNN基无铅压电陶瓷高压电活性的国内外的研究, 特别是高性能KNN基无铅压电陶瓷、制备工艺优化与相关理论基础的研究进展, 并对今后的研究方向进行了展望.2 高性能KNN基无铅压电陶瓷采用固相烧结法制备的KNN陶瓷的d33大约是80 pC/N[13], 与实际应用的铅基陶瓷压电性能差距较大. 为了进一步提升KNN基无铅压电陶瓷的压电性能, 研究者们对KNN基陶瓷进行了详细的研究, 研究的重点主要集中在相界调控、提升陶瓷体系压电性能以及综合性能的优化与温度稳定性等方面.2.1 高压电性能2.1.1 相界构建与PZT基压电陶瓷类似, K x Na1–x NbO3陶瓷是由铁电体KNbO3和反铁电体NaNbO3 形成的二元固溶体. 随着温度的变化, KNN陶瓷会在–123 ℃时经历三方相(R)-正交相(O)转变, 在210 ℃时发生正交相-四方相(T)转变, 在410 ℃下发生四方相-立方相(C)转变[8]. 利用离子掺杂或取代、添加第二组元或多组元化合物等方法, 可将KNN基无铅压电陶瓷的相转变温度移动到室温附近, 构建室温下的新型相界. 在新型相界区域,因为多相共存, 有更多可能的极化状态, 不同相之间的各向异性减小, 电畴更易偏转, 从而使KNN 基无铅压电陶瓷的性能得到提高[8,14].在KNN基中添加一定的离子(Li+, Ag+, Sb5+, Ta5+)或Bi0.5(K/Na/Li)0.5TiO3, (Ba/Ca/Sr)TiO3等钙钛矿结构化合物, 可以提升KNN基陶瓷中四方相的比例, 把T O-T由200 ℃左右调节至室温附近, 使KNN基陶瓷在室温下从单一的正交相结构转变为O-T相共存, 构建出室温下的O-T相界,提升KNN基陶瓷的压电性能. 表1 归纳了一些构建室温下O-T相界的KNN基陶瓷体系的研究进展[15−23].表 1 室温下具有O-T相界的KNN压电陶瓷性能Table 1. Properties of KNN ceramics with O-T phase boundary at room temperature.Material system d33/pC·N–1k p T C/℃KNLANT[15]2520.454438KNLN-BCZT[16]1800.34425KNN-KLN[17]1210.39—KNLN-AS[18]2300.39430KNLN-BNCT[19]2620.36～400KNN-BC[20]1650.40～390KNN-LS[21]2800.494364KNN-BLZ[22]2650.365364KNN-BC-BNH[23]2720.47333从表1可以看出, 可以通过一定的离子掺杂或者多组元复合, 提升KNN基陶瓷的压电性能, 尤其是添加了Li+的陶瓷体系, 能够在获得较高压电性能的同时保持较高的居里温度.通过构建室温下的O-T相界, 可以提升KNN 基陶瓷的压电活性, 但是相对于铅基陶瓷仍有一定的差距. 在KNN基陶瓷中降低T O-T的同时, 添加一定的离子(Sb5+, Ta5+)或Bi0.5(K/Na/Li/Ag)0.5 (Zr/Hf)O3, (Ba/Ca/Mg)ZrO3, Bi(Sc/Co/Fe)O3等化合物, 可以提升KNN基陶瓷中三方相的比例,把T R-O由–123 ℃左右调节至室温附近, 在室温下构建出三方-正交-四方(R-O-T)或三方-四方(R-T)新型相界. 其中R-O-T新型相界是同时调控T O-T和T R-O至室温附近, 使其室温下同时存在R, O, T三相. R-T新型相界是进一步压缩陶瓷体系的T O-T和T R-O之间的温区, 使其在室温附近重叠, 形成新的相界, 室温下存在R相和T相. 多相共存时, 相与相之间存在较低的能量势垒, 促进极化翻转, 优化KNN基陶瓷的电学性能. 表2和表3分别列出了室温下构建R-O-T[12,24−34]和R-T[35−47]相界的部分研究成果.表 2 室温下具有R-O-T相界的KNN压电陶瓷的性能Table 2. Properties of KNN ceramics with R-O-T phase boundary at room temperature.Material system d33/pC·N–1k p T C /℃KNN-BNZ-BG[24]3120.44341KNN-BZ-BNZ[25]3450.50～260 KNN-NS-BNKZH[26]4520.63～270KNNS-BNCZ[27]4150.46245KNNTS-BNKZ[28]4000.46240KNN-BNZN[29]318 ± 10—360KNNS-BKZH[30]4510.52258KNNS-BLKZ[31]385—245KNNS-SZ-BNH[32]470 ± 50.51 ± 0.02244KNNS-BS-BNZ[33]～480—～225KNNS-BNZ-BZ[34]6100.58241 KNNS-BNKZ-Fe-AS[12]650—～180从表1—3可以看出, 相较于O-T相界, 具有R-O-T/R-T相界的KNN基无铅压电陶瓷的电学性能提升程度更大, 表明相界类型对其压电活性影响很大. 相较于只降低T O-T构建室温下O-T相界, 在KNN陶瓷中构建R-O-T/R-T相界则更加复杂, 需要引入多种添加离子或者化合物才能实现. 值得注意的是, 由于KNN陶瓷对组分和工艺的敏感性以及掺杂离子的相互影响, 在KNN基陶瓷中构建新型相界需要进行组分和工艺的精细调控.d∗33图1(a)给出了KNN基无铅压电陶瓷的压电常数d33的历史演变图. 2014年Wang等[37]利用固相烧结法合成的 (1–x)(K1–y Na y)(Nb1–z Sb z)O3-x Bi0.5(Na1–w K w)0.5ZrO3非织构陶瓷, 室温下具有R-T相界, 陶瓷的d33 ≈ 490 pC/N, T C ≈ 190 ℃.随后该团队合成的KNNS-BZ-BKH非织构陶瓷,其d33高达(570 ± 10) pC/N, T C ≈ 190 ℃; KNNS-BF-BNZ非织构陶瓷[43], 其d33≈550 pC/N, T C≈237 ℃. 2018年, Li等[11]采用织构化工艺制备的KNNS-CZ-BKH织构陶瓷, 其d33 ≈ 700 pC/N, k p≈0.76. Liu等[48]报道了具有高压电性能兼具优异的温度稳定性的KNN-BZ-BNH-MnO2非织构陶瓷, 其 > 600 pm/V. 2019年Tao等[12]报道了KNNS-BNKH-0.4%Fe2O3-x AgSbO3非织构陶瓷, 具有R-O-T相界, 其d33 ≈(650 ± 20) pC/N, T C ≈ 180 ℃. Zhou等[34]通过两步烧结法制备了(K,Na)(Nb,Sb)O3-(Bi,Na)ZrO3-BaZrO3非织构陶瓷, 并获得了d33 ≈ 610 pC/N, k p ≈ 0.58, k33 ≈0.69的高压电性能. 经过改性后的KNN基无铅压电陶瓷压电性能与铅基压电陶瓷的性能差距逐渐缩小, 如图1(b)所示. 总的来说, 通过新型相界的构建, KNN基陶瓷体系的压电性能已经可以接近甚至超过部分铅基陶瓷的水平, 在部分压电器件和应用中具有取代PZT基陶瓷体系的潜力.表 3 室温下具有R-T相界的KNN压电陶瓷的性能Table 3. Properties of KNN ceramics with R-Tphase boundary at room temperature.Material system d33 /pC·N–1k p T C/℃KNNS-BNZSn[35]4650.51240KNNS-BZH[36]410—255KNNS-BNKZ[37]4900.46227KNNTS-BNKZ[38]4600.40～220KNNS-BNH[39]4190.45242KNNS-BKZS[40]430—243KNNS-BNLCZ[41]4850.48227KNNS-BNKH[42]525—～210KNNS-BF-BNZ[43]550—237 KNNS-CZ-BKHT-MnO2[44]4250.49215 KNNS-BZ-BKH[45]570 ± 10—～190KNNS-BNZ-BF[46]5110.515269KNANS-BNZ[47]4400.5025033/p C S N -133/p C S N -1Year图 1 (a) KNN 基无铅压电陶瓷d 33的历史演变图; (b) KNN 基无铅压电陶瓷与铅基陶瓷d 33对比图[11,12,34,37,43,45]Fig. 1. (a) Historical evolution in d 33 values of KNN-based ceramics as a function of time; (b) comparison of d 33 values among KNN-based ceramics and PZT materials [11,12,34,37,43,45].2.1.2 畴结构调控⟨001⟩⟨110⟩⟨111⟩铁电材料在降温过程中, 在低于居里温度时,铁电体从顺电相转变为铁电相, 其晶体结构从高对称性转变为低对称性. 晶体的正负中心不再重合而形成自发极化, 并且在同一个铁电相中, 自发极化存在多个等效的自发极化方向. 对于铁电晶体来说, 由于自发极化使其正负两端产生束缚电荷, 束缚电荷产生的电场与极化方向相反, 会在铁电晶体中产生退极化场. 为了降低退极化场形成的静电能以及晶格畸变产生的应变能, 在铁电单晶或者陶瓷中会出现许多小的区域, 每个区域内的晶胞自发极化方向相同, 而相邻区域内自发极化方向取向不同. 自发极化方向一致的小区域称为电畴. T 相中的自发极化方向为 方向, 存在6个等效的自发极化方向, O 相的自发极化方向沿 方向,有12个自发极化方向, R 相的自发极化方向沿方向, 有8个等效自发极化方向. 未加外场时,各电畴的自发极化方向不同, 相互抵消, 使其宏观极化强度为零. 在外场作用下, 电畴的自发极化矢量发生翻转. 电畴和电畴之间的边界称为畴壁. 根据畴壁两侧的极化方向夹角不同, KNN 基压电陶瓷T 相含有90°畴和180°畴, O 相晶体为90°畴、180°畴、60°畴和120°畴, R 相则具有71°畴、109°畴以及180°畴.压电陶瓷的压电响应分为本征与非本征贡献两部分, 其中本征贡献主要取决于晶格畸变, 而非本征贡献与电畴运动有关, 包括畴壁振动、电畴翻转、畴壁运动. 因此, 除了构建相界外, 畴结构调控对于提升KNN 基无铅压电陶瓷的压电性能至关重要.电子显微技术是常用的电畴观测方法, 包括透射扫描电子显微镜(TEM)、压电力显微镜(PFM)以及扫描电子显微镜(SEM)等. 将合成后的KNN 基无铅压电陶瓷样品进行减薄处理后可以通过TEM 进行电畴结构的观测[49−51], 在测量畴结构尺寸的同时还可以利用选区电子衍射进行特定区域的结构分析[49]. 使用原位透射电镜观测, 则能够观察外电场作用下电畴结构的变化[52]. 因为不同极性电畴被酸腐蚀的程度不同, 通过该特点可以采用SEM 直接观察腐蚀后的KNN 基陶瓷电畴结构. 文献[53−55]利用混合酸溶液(浓度为37%的盐酸与40%氢氟酸溶液体系比1∶1)对KNN 基陶瓷进行腐蚀, 并通过SEM 观测了其相应的畴结构.López-Juárez 等[56]使用48 vol.%的氢氟酸腐蚀(K 0.5Na 0.5)NbO 3陶瓷体系后, 观测到正交相的陶瓷中90°畴和180°畴结构. 压电力显微镜(PFM)因为分辨率高、对样品要求低, 是一种研究畴结构的重要检测方法, 被广泛应用在KNN 基无铅压电陶瓷中[57,58]. 其中, 利用原位PFM 中电场、温度场的变化可以判断KNN 基无铅压电陶瓷中畴的翻转难易程度以及温度稳定性[59,60].通过电子显微技术可以在高压电性能、多相共存的KNN 基陶瓷中同时观察到条纹畴以及亚微米级不规则的畴结构. 图2(a)—(c)给出了在室温下不含相界, O-T, R-O-T, R-T 相界的KNN 基陶瓷的畴结构. 未掺杂的K 0.5Na 0.5NbO 3陶瓷, 其畴结构多为鱼骨状、水痕状, 其中鱼骨状畴结构对应90°畴, 水痕状畴结构对应180°畴[61]. K 0.5Na 0.5NbO 3陶瓷在室温下为正交相, 其90°畴结构尺寸为0.5—1 µm 宽以及3—7 µm 长, 180°畴的尺寸为3—10 µm 宽, 20—40 µm 长[56]. 通过构建室温下的新型相界, KNN 陶瓷体系中的畴结构形状或者尺寸发生改变. 如图2(b)和图2(c)所示, 对于KNN 基陶瓷中构建了室温下的O-T/R-O-T/R-T 相界时[34,43,62,63], 可以利用TEM 或者SEM 观察到条纹畴或者不规则形状的复杂畴结构, 并且畴结构的尺寸下降到亚微米级或者纳米级. 构建室温下新型相界可以使KNN 陶瓷具有更多极化方向. 相对于室温下为O 相的KNN 陶瓷, 位于多相共存区域的KNN 陶瓷含有更多的极化状态和晶体取向度, 不同相之间的各向异性减小, 因此畴的翻转和移动比单相陶瓷更容易[8,14]. 有研究表明, 新型相界施加一定的外加电场后, 除了发生电畴翻转外还会产生电诱导相变, 诱导相为单斜相(M), 极化矢量通过中间诱导相更易翻转, 从而增强陶瓷的压电性能[49,64].Curved domain wall500 nm60O or 120O domain500 nm 200 nm100 nmWavy domain wallsDomain stripesDomain stripesKNNL -BZ -BNT 陶瓷体系KNNSL -BNZ -BZ -MnO 2陶瓷体系(b)50(±5) nmK 0.5Na 0.5NbO 3陶瓷体系(a)10 m m10 m m10 m m5 m m180O“watermark ”90O-90O -2 m m4 m m3 m m1 m m (c)KNNS -BF -BNZ 陶瓷体系KNNS -BNZ -BZ 陶瓷体系500 nm70(±5) nm50(±5) nm500 nm300112-S t re a ki n gS t r ea k i n g图 2 (a)正交相(K 0.5Na 0.5NbO 3陶瓷[56,61]); (b)室温下O-T 相界(KNNL-BZ-BNT 陶瓷体系[62], KNNSL-BNZ-BZ-MnO 2陶瓷体系[63]);(c)室温下R-T/R-O-T 相界KNN 基陶瓷的畴结构(KNNS-BF-BNZ 陶瓷体系[43], KNNS-BNZ-BZ 陶瓷体系[34])Fig. 2. Domain structures of KNN-based ceramcis with different phase boundaries at room temperature: (a) Orthorhombic (K 0.5Na 0.5NbO 3 ceramics [56,61]); (b) O-T phase boundaries (KNNL-BZ-BNT ceramics [62], KNNSL-BNZ-BZ-MnO 2 ceramics [63]); (c) R-T/R-O-T phase boundaries (KNNS-BF-BNZ ceramics [43], KNNS-BNZ-BZ ceramics [34]).在KNN 基无铅压电陶瓷中进行多组元掺杂, 可以显著地降低各元素的扩散速率, 破坏晶体的长程有序, 从而容易形成纳米级尺寸的电畴. 例如, Sun 等[52]发现 (K 0.48Na 0.52)(Nb 0.955Sb 0.045)O 3-0.01SrZrO 3陶瓷体系未掺入(Bi 0.5Ag 0.5)ZrO 3前的畴结构尺寸为0.2—1 µm, 在掺入(Bi 0.5Ag 0.5)ZrO 3后的陶瓷体系中同时观察到了30—65 nm, 65—160 nm 的条状畴以及30—45 nm 尺寸的纳米畴. 该陶瓷体系掺杂后的d 33 ≈ 487 pC/N. Liu 等[48]构建的KNNS-BZ-BNH-MnO 2 体系具有10—100 nm 尺寸的畴结构, 其压电系数为600 pm/V. Zheng等[42]通过TEM 研究发现在KNN 陶瓷中掺入Sb 和Bi(Na, K)HfO 3可以使陶瓷具有宽度为10—30 nm, 长度为100—300 nm 尺寸的纳米畴, 从而提高该陶瓷的压电性能(d 33 ≈ 525 pC/N). Tao 等[12]制成的高压电性能(d 33 ≈ (650 ± 20) pC/N)的KNN 基陶瓷体系的畴结构约为2 nm 的纳米畴. Zhou 等[34]获得的KNN 基陶瓷压电性能d 33 ≈610 pC/N, 畴结构尺寸为50—70 nm. 表4列举了一些高性能KNN 基无铅压电陶瓷压电常数与畴结构尺寸[12,34,42,46,48,51,52,54,57,65−70]. 从表4可以看出,畴结构尺寸与陶瓷压电性能的优异密切相关, 尤其是纳米尺寸的畴结构对陶瓷的高压电性能起着重要的作用. 这是因为畴壁能与畴尺寸的平方根成正比[56], 纳米尺度的畴结构在外电场作用下更容易翻转, 从而对KNN陶瓷的电学性能起到增强作用.因此, 对畴结构进行调控可以提升KNN基体系的压电性能.表 4 KNN基无铅压电陶瓷压电常数与畴结构尺寸Table 4. Piezoelectric constant of KNN ceramics with domain size.Material system d∗33d33 or Domain sizeKNNS-SZ-BAZ[52]487 pC/N 30—65 nm, 65—160 nm, 30—45 nmKNNS-BZ-BNH[48]600 pm/V10—100 nmKNNS-BNKH[42]525 pC/N10—30 nm KNNS-BNKZ-Fe-AS[12](650 ± 20) pC/N2 nm KNNS-BNZ-BZ[34]610 pC/N50—70 nmKNNT-BNKZ-CZ[51]482 pm/V60 nmKNNS-BZ-BNZ[65]300 pC/N150 nm—1.0 µm KNNS-CZ-BKH[66]550 pC/N30—230 nmKNNS-BNH[67]512 pC/N100 nmKNNS-SZ-BNZ[68]450 pC/N50—200 nm KNLNTS[54]455 pC/N110—310 nm KNNS-BNZ-BF[46]510 pC/N<1 µmKNN-BNZ-MnO2-Sb2O3[69]318 pC/N<1 µm KNN-BI-BNZ[57]317 pC/N～200 nmKNNdNS-BNZ[70]400 pC/N～ 1 µm 2.2 温度稳定性在KNN基无铅压电陶瓷中添加三方或四方诱导物构建室温下新型相界, 其本质是将KNN基陶瓷的相变点移动至室温附近, 获得高的压电性能. 目前, KNN基无铅压电陶瓷的压电性能已经可以满足一部分压电器件及应用的性能要求. 但是, 与PZT铅基陶瓷材料中的准同型相界不同, KNN基陶瓷中构建的新型相界为多晶型相界(PPB), 不仅有组分依赖性, 还有温度依赖性. 当温度上升或者下降时, KNN基无铅压电陶瓷会发生相变恢复至单相结构, 从而导致该陶瓷体系压电性能下降, 因此, 在小于T C的温度范围内存在另一个多晶型相变是KNN压电陶瓷温度稳定性差的本质原因. 因此, 为了能够解决无铅压电陶瓷的应用问题, 还需要考虑KNN基无铅压电陶瓷的高居里温度以及良好的温度稳定性.2.2.1 居里温度压电陶瓷中压电性能的提升往往伴随着该体系居里温度的下降, 如图3所示[12,15−47]. 压电材料可以在大约1/2T C—2/3T C的温度范围内安全使用. 因此, 在构建室温下新型相界的同时, 应该考虑其实际应用的温度范围, 调控压电性能与居里温度之间的关系, 发展同时具有高压电性能以及高居里温度的KNN基无铅压电陶瓷体系, 这将对无铅压电陶瓷的发展具有极大的推动作用.C/C33/pCSN-1图 3 KNN基无铅压电陶瓷d33与T C对比图[12,15−47] Fig. 3. Comparison of d33 and T C values of KNN-based ceramics[12,15−47].表5列举了部分兼具高压电性能高居里温度的KNN陶瓷体系[24,57,71−81]. 其中Jiang等[74]通过在KNN基陶瓷中添加BiAlO3组元, 可以有效提升陶瓷的电学性能, 保持高居里温度, 该陶瓷体系d33 ≈ 355 pC/N, T C ≈ 335 ℃. 另外, 在KNN基陶瓷中添加BiGaO3[24], BiInO3[57]等组元也可以使陶瓷同时具有高d33和高T C.在KNN中如果设计陶瓷体系的 A位碱金属为非化学计量比, 可以通过弥补高温下的碱金属挥发提高陶瓷体系的致密度, 从而提升KNN基压电陶瓷的压电性能[82−84], 而非化学计量比的Nb5+对KNN基压电陶瓷的影响研究报道较少. 本课题组通过调节B位Nb5+非化学计量比的量来对KNNS-BNZ陶瓷相界进行调控[70]. 通过该陶瓷体系的微观形貌表征以及致密度的测试发现, 适量的过量Nb5+能够形成A位空位, 加速原子的扩散, 从而使陶瓷致密度增加, 最终提高陶瓷的T C. 并且在不降低T C的前提下, 构建室温下的R-T相界提升KNN陶瓷的压电性能, 从而获得既具有压电性能又具有高T C的KNN基压电陶瓷, 该陶瓷体系获得的综合性能如下: d 33 = 421 pC/N, k p = 0.48,T C = 256 ℃.2.2.2 温度稳定性陶瓷的温度稳定性对KNN 基陶瓷能否规模化应用至关重要. 研究者们通过多种方法增加KNN 基无铅压电陶瓷的温度稳定性. 将相变温度移动至室温以下能够有效地改善KNN 基陶瓷的温度稳定性. Zhang 等[85]在KNN-LS 陶瓷体系中添加CaTiO 3, 将T O-T 移动到室温以下, 使其温度稳定性增强, 但压电性能大幅度下降.d ∗33d ∗33构建弥散的新型相界, 在室温附近形成一个温度变化范围比较大的新型相界, 能够在增加陶瓷体系压电性能的同时增加陶瓷体系的温度稳定性.Yao 等[86]通过在KNN 基陶瓷中添加CaZrO 3组元, 使KNN 基陶瓷的O-T 相变变得弥散, 延长相变的温度范围, 从而提升陶瓷的温度稳定性, 使得该陶瓷体系的 从室温到140 ℃的温度范围内基本保持不变. 在KNN-BNZ 陶瓷中添加LaFeO 3移动T O-T , 使其O-T 相界变得弥散, 在一定掺杂范围内, 该陶瓷体系在室温下为O-T 两相共存, 随着LaFeO 3掺杂量的增加, T 相含量逐渐增加, 该陶瓷体系的 在20—100 ℃温度范围内的变化量小于8%[72]. Zhou 等[65]通过在KNN 中添加可以同时提升T R-O 和T O-T 的BaZrO 3, (Bi, Na)ZrO 3组元, 该陶瓷具有d 33 ≈ 300 pC/N, k p ≈ 0.56,k 33 ≈ 0.69的高压电性能, 该陶瓷体系因为弥散的R-O 相变而在–30—100 ℃温度范围内具有优异的温度稳定性. Yao 等[86]通过原位变温变电场同步辐射XRD, 变化外加电场强度, 发现了CaZrO 3掺杂的KNN 基无铅压电陶瓷体系中存在高电场诱导弥散型相变, 该陶瓷体系在高电场下获得了更为优异的温度稳定性.与非织构化的KNN 基陶瓷相比, KNN 基陶瓷的织构化也可以有效地改善陶瓷的温度稳定性. 相对于非织构化的LF4陶瓷在160 ℃的应变变化量为30%, 织构化的 LF4T 陶瓷在160 ℃时的应变变化量为6.5%[10]. Li 等[66]制备的织构化KNNS-CZ-BKH 陶瓷体系, 通过加入NaNbO 3模板, 获得了纳米尺寸的电畴结构, 因此在温度为200 ℃时, d 33值仍有室温d 33的70%, 同时, x =0.03和0.04组分在室温到150 ℃温度范围内应变的变化值小于20%.KNN 基无铅压电陶瓷中构建的新型相界类型是与陶瓷的温度稳定性有关. Zhao 等[60]通过对KNN 基陶瓷构建不同相界, 并对比各种相界的温度稳定性. 对比R-O, O-T, R-O-T 相界, 发现具有R-T 相界的KNN 陶瓷体系具有优异的电学性能以及最好的温度稳定性.d ∗33d ∗33研究者们还发现调控晶粒尺寸或者畴结构也可以增加KNN 基陶瓷体系的温度稳定性. Cen 等[51]认为KNN 陶瓷体系的晶粒尺寸可以影响陶瓷的压电性能以及温度稳定性, 通过探讨不同烧结温度下制备的KNN 基陶瓷体系的相结构以及晶粒尺寸, 发现在1180 ℃烧结温度下的陶瓷具有适宜的晶粒尺寸. 晶粒尺寸的适当增长不仅能够改变该陶瓷体系的相结构, 并增加了畴结构的尺寸, 从而降低了铁电相到顺电相相转变温度的弛豫性, 以此增加了该陶瓷体系的温度稳定性. 1180 ℃烧结温度下制备的陶瓷具有优异的压电性能, 其 =482 pm/V, 在120 ℃时仍具有良好的温度稳定性.Feng 等[49]通过在KNN 基陶瓷引入SrZrO 3设计并制备了KNNT-BNZ-SZ 体系. 该陶瓷体系通过在A 位中掺入Sr 2+, B 位掺入Ta 5+和Zr 4+, 破坏了铁电相的长程有序, 从而得到小尺寸的畴结构,增强温度稳定性. 该陶瓷体系在x = 1.0%时获得了 = 400 pm/V, T C = 335 ℃的优异综合性能, 该组分陶瓷在180 ℃以及190 ℃时压电性能仍可以保持室温下压电性能的90%和85%. 表6表 5 同时具有高压电性能和高居里温度的KNN 陶瓷体系Table 5. The KNN-based ceramics with highpiezoelectric constant and high Curie temperature.Material system d 33 /pC·N –1T C /℃KNN-BNH [71]385315KNN-BNZ-LF [72]345314KNN-BNZ-MnO 2[73]300345KNN-BNZ-BG [24]312341KNN-BNZ-BA [74]355335KNN-BAZ[75]347318KNN-BNZ [76]360329KNN-BKZ-BZ [77]305～300KNLNS-BS [78]325358KNN-BNZS [79]350315KNN-BS-BNKLZ [80]366335KNN-BNT-BNZ [81]318326KNN-BNZ-BI [57]317336中列举了一些具有良好温度稳定性的KNN基陶瓷[36,42,49,51,65,69,72,86−92].虽然通过掺杂改性或者结构优化可以在一定程度上提升KNN基无铅压电陶瓷的温度稳定性,然而与PZT基铅基压电陶瓷相比还有一定的差距, 并且如何从结构上解决KNN基无铅压电陶瓷的温度敏感性还需要进一步的研究.3 制备方法考虑到陶瓷的制备成本, 在陶瓷实际工程应用过程中常采取固相烧结法. 因为KNN基无铅压电陶瓷的烧结温区较为狭窄, 高温烧结过程中碱金属元素易挥发等问题, 制备的KNN基陶瓷致密性较差, 从而影响陶瓷体系的电学性能. 改善粉体制备、烧结工艺、发展新的KNN基无铅压电陶瓷制备方法获得了广泛的关注.3.1 粉体制备尽管传统固相法合成陶瓷粉体具有成本低、制备工艺简单的优点, 但是该方法制备的粉体容易出现成分不均匀, 颗粒尺寸大, 不利于后续烧结工艺.除了固相法之外, 合成KNN粉体的主要方法有水热合成法[93−96]、熔盐法[97,98]、共沉淀法[99]、喷雾热解法[100]等.水热合成法可以在处于低温及高压的水热釜中一次性合成相应的超细粉体, 该方法对环境友好, 能够精确控制粉体形貌及化学组成, 因此可以通过优化粉体微观结构而改善KNN基陶瓷的性能[101]. Takeshi等[102]通过水热法合成了尺寸小于1 µm的KNbO3, NaNbO3粉体, 制备了相应的KNN陶瓷体系. Liu等[94]通过水热法分别合成KNbO3, NaNbO3以及LiSbO3粉体, 通过优化粉体配比, 制备了(1–x)K0.5Na0.5NbO3-x LiSbO3陶瓷体系, 获得了d33 = 183 pC/N, 机械品质因数 Q m = 99.83以及k p = 0.33的陶瓷体系.熔盐法制备工艺简单, 能够通过调控原料与盐的比例, 精确控制合成纳米粉体的形貌, 改善陶瓷的性能[97]. Li等[98]采用熔盐法制备了K x Na1–x NbO3粉体, 通过调控原料与盐的比例为1∶3以及合成温度, 获得了平均尺寸为1.5 µm的立方晶粒KNN 粉体, 并在获得的粉体中添加1 mol% ZnO为烧结助剂, 制备了性能为d33 = 120 pC/N, T C = 406 ℃, Q m = 126以及k p = 0.302的KNN陶瓷体系.共沉淀法可以直接通过化学反应获得所需粉体, 并且制备的粉体颗粒尺寸均匀. Kumar等[99]采用共沉淀方法制备了K0.5Na0.5NbO3陶瓷, 该陶瓷具有高致密度以及增强的电学性能.喷雾热解法制备的粉体纯度高, 分布均匀, 同时工艺简单, 能够连续化生产, 并且该方法所使用的水溶液前驱体成本低, 对环境友好, 有广阔的工业应用前景[100]. Haugen等[100]通过喷雾热解法制表 6 温度稳定性高的KNN陶瓷体系的压电常数以及变化量Table 6. Comparison of piezoelectric constant and variation among KNN-based ceramics.d33/pC·N–1d33 variation/%d∗33/pm·V–1d∗33 variation/% KNLNT-CZ[86]———almost unchanged @140 ℃KNN-BNZ-LF[72]345—4208%@100 ℃KNNT-BNKZ-SZ-MnO2[49]——40010%@180 ℃KNNT-BNKZ-CZ-MnO2[51]——48210%@120 ℃KNNS-BNZ-SZ[87]390——13%@180 ℃KNN-BLT-BZ-MnO2[88]——4708.5%@100 ℃, 21.2%@170 ℃KNNS-BZ-BNZ[65]30010@100 ℃——KNNS-(BHo)NHf[89]——～386almost unchanged @140 ℃KNNT-BNZ-CZ[90]——50210%@135 ℃KNNS-BNKH[42]525—46010%@80 ℃KNN-BZ-BNH-MnO2[91]30015@120 ℃540 ± 105%@100 ℃KNN-BNH-BF-MnO2[92]450——28%@160 ℃KNN-BNZ-MnO2-Sb2O3[69]318——9%@170 ℃KNNS-BZH-BNZ[36]410—441 2.5%@100 ℃, 16.1%@180 ℃注: 16.1%@180 ℃表示到180 ℃性能下降16.1%.。
铌酸镓镧压电晶体生长及性能研究
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ｋｉ ｍｅ ｔ ｈ ｏｄ， ５５ ｍｍ × １ ５ ０ ｍ ｍ ｃ ｒ ｙｓ ｔ ａ ｌ ｂｏ ｕｌ ｅ ｈ ａ ｓ ｂｅ ｅ ｎ ｓ ｕｃ ｃ ｅ ｓ ｆ ｕｌ ｌ ｙ ｇｒ ｏｗｎ， ｗｈｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐａ ｒ ｅ ｎｔ ，ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｏｎ ｓ — ｆ ｒ ｅ ｅ ．Ｔｈｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄｉ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｎｔ ｓ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｐｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｈ ａ ｖｅ ｂｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｂｙ ａ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｂｒ ｉ ｄ ｇｅ ａ ｎｄ ｒ ｅ ｓ ｏ — ｎ ａ ｎｔ — ａ ｎｔ ｉ — ｒ ｅ ｓ ｏｎ ａ ｎｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏｄ ． Ｔ ｈｅ ｄｉ ｖｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｂｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈｅ ｔ ｏｐ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｂ ｏｔ ｔ ｏ ｍ ｈａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｎ ３ ， ｗｈｉ ｃ ｈ ｓ ｈｏ ｗｓ ｔ ｈｅ ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ ｌ ｅ ｎｔ ｕｎｉ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｔ ｙ ｏｆ ｔ ｈｅ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ １ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： Ｌａ ３ Ｇａ ５５ Ｎｂ ０ Ｏｌ ４ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ；Ｃｚ ｏ ｃ ｈ ｒ ａ ｌ ｓ ｋ ｉ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ；ｐ ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙ ５
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究现状
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究现状本文主要讨论了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的发展过程，研究了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的特点及其目前的研究现状。
标签：NKN；压电陶瓷；钙钛矿目前研究的无铅压电陶瓷的材料按结构大致可分为以下几类：钨青铜结构、含铋层状结构和钙钛矿结构等。
无铅压电陶瓷属于铌酸盐系的钙钛矿结构。
1.铌酸钾钠无铅压电陶瓷的发展碱性铌酸盐作为一种无铅压电材料目前备受关注，而对碱性铌酸盐的压电性能的研究集中在了（K、Na）NbO3陶瓷的性能研究上。
铌酸盐基压电陶瓷的压电性能虽不如PZT系陶瓷优越，但它有较高的居里温度，低的介电常数，较低的机械品质因数Qm值以及高的声传播速度，因此它应用在高频换能器方面，就显得比PZT效果好，而得到广泛应用。
NaNbO3室温下是类钙钛矿结构的反铁电体，存在复杂的结构相变，具有强电场诱发铁电性，类似于PbZrO3。
如果加以某种化学助剂改性，也可以使NaNbO3变成铁电相，成为铁电陶瓷。
KNbO3陶瓷室温下是钙钛矿型结构的铁电体，其性能与PbTiO3相似。
从晶体相变的情况看，KNbO3从高温到低温经历立方→四方转变（435℃），四方→正交转变（225℃），正交→三方转变（-10℃）等相变。
立方相是顺电相，而其他三种都是铁电相，居里温度为435℃。
KNbO3陶瓷的压电活性较低（kp < 0.30），而对烧结工艺要求却很严，所以不能适应实际生产和使用。
如果在KNbO3中添加一定量的NaNbO3，使之形成KNbO3-NaNbO3二元系固溶体陶瓷，则在一定组成范围内，可以得到较低的介电常数和高的耦合系数，使得这种材料具有实用价值[1]。
2.铌酸钾钠无铅压电陶瓷的特点铌酸钾钠二元系固溶体，化学式可写成（Kl-xNax）NbO3。
通过X射线衍射技术和反应热测量表明：NKN陶瓷的相变化非常复杂，这种固溶体Na与K 的比例可以在任何范围内连续变化，晶格仍然是钙钛矿结构。
对于不同的钾钠比例，由于结构不同，性能也不同。
铌酸钾钠基储能陶瓷材料的制备及其性能研究
铌酸钾钠基储能陶瓷材料的制备及其性能研究铌酸钾钠基储能陶瓷材料的制备及其性能研究一、引言随着社会的快速发展和能源需求的不断增长，传统的化石能源逐渐无法满足人们对能源的需求。
因此，开发高性能的储能材料对于推动可再生能源的发展至关重要。
铌酸钾钠（KNN）基储能陶瓷材料由钙钛矿型铌酸碱金属钠氧铌酸钾钠固溶体组成，具有较高的压电性能和优异的储能特性。
因此，研究铌酸钾钠基储能陶瓷材料的制备方法及其性能对于开发新型高性能储能材料具有重要意义。
二、制备方法铌酸钾钠基储能陶瓷材料的制备方法主要包括固相法、溶胶-凝胶法、水热法等。
其中，固相法是最常用的制备方法之一。
固相法的制备步骤包括物料的称量、混合、球磨、干燥和烧结等。
首先，按照化学计量比例称量所需的原料粉末，然后将粉末混合均匀，通过球磨使得粉末颗粒细化，进一步提高材料的致密度和储能性能。
之后，将混合均匀的粉末进行干燥，使其达到一定的流动性。
最后，将粉末在高温下进行烧结，使粉末颗粒结合成致密的块体材料。
三、性能研究铌酸钾钠基储能陶瓷材料具有优异的储能性能，其性能主要包括压电性能和储能性能两个方面。
1. 压电性能铌酸钾钠基储能陶瓷材料的压电性能是指在外加电场的作用下，材料会泛生出电势差，产生电荷分离现象，并且会发生形变。
压电性能是储能材料的基本性能之一，对于储能器件的应用具有重要意义。
实验结果表明，铌酸钾钠基储能陶瓷材料的压电常数较高，压电应变系数较大，具有良好的压电性能。
2. 储能性能铌酸钾钠基储能陶瓷材料的储能性能是指在外加电场的作用下，材料能够吸收和释放电能的能力。
通过将铌酸钾钠基储能陶瓷材料制备成电容器，进行充放电循环测试，可以得到材料的储能性能参数，例如储能密度、放电效率等。
研究表明，铌酸钾钠基储能陶瓷材料具有较高的储能密度和较低的能量损耗，具备良好的储能性能。
四、应用前景铌酸钾钠基储能陶瓷材料具有优异的压电和储能性能，具备广泛的应用前景。
由于其较高的压电常数和压电应变系数，铌酸钾钠基储能陶瓷材料可以应用于声波发生器、传感器、阵列探测器等领域。
铌酸钾钠 压电陶瓷 晶体结构
铌酸钾钠压电陶瓷晶体结构分析一、概述铌酸钾钠压电陶瓷是一类具有优良压电性能的陶瓷材料，广泛应用于声表面波滤波器、压电换能器、传感器等领域。
其压电性能与晶体结构密切相关，因此对其晶体结构的研究具有重要意义。
二、铌酸钾钠压电陶瓷的晶体结构1. 基本结构铌酸钾钠压电陶瓷的晶体结构属于钙钛矿结构，空间裙为tetragonal。
其基本单元包括钙钛矿型的四面体ABO3和K+、Na+等离子。
2. 钙钛矿型四面体结构铌酸钾钠压电陶瓷的钙钛矿型四面体结构中，A位离子通常是较大的离子，如钾离子(K+)、钠离子(Na+)等；B位离子为较小的过渡金属离子，如铌离子(Nb5+)等；O位离子为氧离子。
这种结构具有较强的偏压电性能，使得铌酸钾钠压电陶瓷具有优异的压电性能。
3. 离子掺杂结构为了进一步提高铌酸钾钠压电陶瓷的性能，人们常常采用离子掺杂的方法。
通过掺入适量的稀土离子或过渡金属离子，可以有效调控晶格结构，改善压电性能。
三、铌酸钾钠压电陶瓷的制备技术1. 固相法制备固相法制备铌酸钾钠压电陶瓷是最常用的制备方法之一。
该方法主要包括原料粉碎混合、成型、烧结等工艺步骤。
通过精确控制各工艺参数，可以获得均匀致密、晶粒细小的陶瓷制品。
2. 溶胶-凝胶法制备溶胶-凝胶法是一种制备铌酸钾钠压电陶瓷的新型方法。
该方法利用溶胶-凝胶体系的特性，可以制备出颗粒均匀、晶体结构致密的陶瓷制品。
3. 微波一步法制备微波一步法是近年来新兴出现的铌酸钾钠压电陶瓷制备方法。
该方法利用微波加热的特性，可大大缩短制备时间，并且能够得到具有优异性能的铌酸钾钠压电陶瓷制品。
四、铌酸钾钠压电陶瓷的应用前景铌酸钾钠压电陶瓷具有优良的压电性能和稳定的晶体结构，因此在声表面波滤波器、压电换能器、传感器等领域具有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，铌酸钾钠压电陶瓷的应用前景将更加广阔。
五、结论铌酸钾钠压电陶瓷具有优良的压电性能和稳定的晶体结构，是一类具有广泛应用前景的陶瓷材料。
一种铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法
一种铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法1. 简介：一种铌酸钾钠基压电陶瓷，利用铌酸钾钠作为主要原料，在制备方法中添加适量的助剂，并经过热压制造成。
该陶瓷具有优良的压电性能和良好的稳定性，并且可以广泛应用于传感器、激光调制器、滤波器、声表面波器件等领域。
2. 制备原料：铌酸钾钠、氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化铁、氧化钛、氯化锂等。
3. 制备方法：取一定量的铌酸钾钠粉末，并向其中加入适量的助剂（如氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化铁、氧化钛等），经过混合均匀后加入少量的氯化锂。
将混合均匀的粉末装入模具中，进行热压制造。
在制造过程中，需要严格控制温度和压力，以确保产品的质量和性能都能达到预期水平。
4. 优点：该铌酸钾钠基压电陶瓷具有良好的压电性能和稳定性，可以在宽温度范围内使用，并且耐腐蚀、耐热性好、寿命长、环保等。
5. 发展前景：随着科技的不断发展，铌酸钾钠基压电陶瓷在传感器、激光调制器、滤波器、声表面波器件等领域将有更广泛的应用，在未来的发展中具有非常广阔的市场前景。
6. 实验结果：经过实验室测试，该铌酸钾钠基压电陶瓷具有压电系数高、介电常数稳定、损耗小、热稳定性好等优点，已经在一些应用场合得到了应用。
7. 优化：为了使铌酸钾钠基压电陶瓷性能更优秀，可以通过调整原料比例、改进热压制造工艺等方法来进行优化。
8. 主要应用领域：该铌酸钾钠基压电陶瓷可以在传感器、激光调制器、滤波器、声表面波器件等领域得到广泛应用。
9. 未来发展方向：自动控制化、绿色环保化、微型化、高频化、高稳定性化是该铌酸钾钠基压电陶瓷未来的发展方向。
10. 总结：铌酸钾钠基压电陶瓷是一种具有良好性能和广泛应用前景的材料，经过不断实验和优化，将会在未来得到更加广泛的应用和推广。
一维铌酸钠铌酸钾纳米结构的制备及压电性能表征开题报告
一维铌酸钠铌酸钾纳米结构的制备及压电性能表征开题报告一、研究背景和意义：纳米铌酸盐的制备和应用已经成为当前研究热点。
铌酸盐作为一种重要的压电功能材料，在电子、光学以及传感器等领域具有广泛的应用前景。
其中，一维铌酸钠铌酸钾纳米结构具有良好的力致电效应和温度稳定性能，因此引起了广泛的关注。
二、研究目的和内容：本文旨在通过水热法制备一维铌酸钠铌酸钾纳米结构，并对其进行表征。
主要研究内容包括：1. 优化水热法制备方法，探究制备工艺对一维纳米结构形貌和尺寸的影响。
2. 通过扫描电子显微镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等表征技术，对制备的纳米结构进行形貌和结构的表征。
3. 使用LPM-2000A-YH压电测试仪进行压电性能测试，研究一维铌酸钠铌酸钾纳米结构的力致电特性和温度稳定性能。
三、研究方法：1. 溶液制备：以铌酸钾、铌酸钠为原料，混合在氢氧化钠和水中形成透明溶液。
2. 加热水热：将溶液放入Teflon胶囊中，放入高压釜中进行水热加热。
3. 离心洗涤：将样品用去离子水进行洗涤并通过离心处理。
4. 烘干：用真空干燥器进行烘干。
5. 表征：用扫描电子显微镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等表征技术进行形貌和结构表征。
使用LPM-2000A-YH压电测试仪进行压电性能测试。
四、研究进展和计划：目前已经完成了纳米结构的制备，下一步将对其进行表征和压电性能测试。
预计在未来两个月内完成实验数据的处理和分析，并编写开题报告。
五、参考文献：1. 段琳琳, 刘瀚, 周宪仁等. 一维纳米结构铌酸盐的制备及光电性能[J]. 硅酸盐学报, 2017, 45(4): 451-457.2. Kang Y, Huang H, Liang Z, et al. Synthesis and characterization of one-dimensional Na0. 5K0. 5NbO3 nanowires[J]. Materials Chemistry and Physics, 2012, 132(2-3): 969-972.3. 远藤兴之, 李今素. 一维纳米线型铌酸钾钠的制备与性能[J]. 硅酸盐通报, 2013(4): 742-746.。
铌酸钠钾基压电陶瓷及碳纳米管-铌酸钠钾复合材料的制备和研究的开题报告
铌酸钠钾基压电陶瓷及碳纳米管-铌酸钠钾复合材料
的制备和研究的开题报告
一、研究背景和意义
压电陶瓷材料是被广泛应用于传感器、声波器件、电缆、高压开关
器件等领域的重要材料。
铌酸钠钾（NKN）是一种具有高压电性能且稳定性好的陶瓷材料，能够满足要求高压电性能的应用场合。
同时，近年来
碳纳米管（CNTs）因其特有的电学、机械学性质在材料制备领域受到了
广泛关注。
CNTs与NKN复合可以将两者的优势有机结合，形成具有更加优异性能的复合材料。
本研究的目的是探究铌酸钠钾基压电陶瓷及碳纳米管-铌酸钠钾复合材料的制备方法和性能研究，为新型压电材料的开发提供基础研究支持。
二、研究内容和方法
1. 制备铌酸钠钾基压电陶瓷：采用高温固相法合成NKN粉体，通过成型、烧结等工艺制备铌酸钠钾基压电陶瓷。
2. 制备碳纳米管-铌酸钠钾复合材料：将CNTs表面修饰后与NKN材料混合制备，通过烧结等工艺制备成复合陶瓷材料。
3. 对制备的材料进行结构、形貌、压电性能等方面的表征和研究，
探究材料的性能与结构之间的关系。
4. 探究CNTs的添加量对复合材料性能的影响，为材料的进一步优
化提供基础数据支持。
三、预期成果
通过制备铌酸钠钾基压电陶瓷及碳纳米管-铌酸钠钾复合材料，对材料的结构、形貌、压电性能等方面进行系统研究，得出材料优化的方向
和规律。
同时，本研究的结果可以为新型压电材料的开发提供理论和实验支持。
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第36卷第5期电子元件与材料V ol.36 No.5 2017年5月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS May 2017铌酸钾钠纳米棒阵列的取向生长和压电性能研究贺亚华1，王钊1，张翔晖1，顾期斌2（1. 湖北大学物理与电子科学学院铁电压电材料与器件湖北省重点实验室，湖北武汉430062；2. 湖北第二师范学院建筑与材料工程学院，湖北武汉430205）摘要: 采用水热法在不同取向的单晶SrTiO3（STO）衬底表面生长了正交相铌酸钾钠（KNN）一维纳米结构。
在(100)-SrTiO3衬底表面可实现铌酸钾钠纳米棒阵列的取向生长；而在(110)和(111)-SrTiO3表面都分别生长着多取向一维纳米结构。
TEM和XRD结果均表明，(100)-SrTiO3表面的纳米棒为单晶正交相结构，且沿[110]取向生长。
此外，单根铌酸钾钠纳米棒的轴向压电常数可达到150 pm/V，利用该纳米棒阵列组建的纳米发电机的输出电压高达10 V。
关键词: 铌酸钾钠；纳米棒阵列；水热法；取向生长；压电性能；纳米发电机doi: 10.14106/ki.1001-2028.2017.05.004中图分类号: TN384 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2017）05-0016-04Oriented growth and piezoelectric performance of potassium-sodiumniobate nanorod arraysHE Yahua1, WANG Zhao1, ZHANG Xianghui1, GU Qibin2(1. Hubei Key Laboratory of Ferro & Piezoelectric Materials and Devices, Faculty of Physics & Electronic Sciences,Hubei University, Wuhan 430062, China; 2. Department of Architecture and Material Engineering, Hubei University ofEducation, Wuhan 430205, China)Abstract: Potassium-sodium niobate one-dimensional nanomaterials with orthorhombic perovskite structure were grown on the single-crystal SrTiO3 substrates. And oriented potassium-sodium niobate nanorod arrays could be grown on the surface of (100)-SrTiO3 substrates, while one-dimensional nanostructures with multiple orientations were found on both (110) and (111) surface of the substrates. The TEM and XRD results confirm that the nanorods synthesized on (100)-SrTiO3 possess single-crystal orthorhombic structure, and grow along the [110] direction. Furthermore, the piezoresponse force microscopy results show that the piezoelectric constant of a single nanorod along its axial direction is up to 150 pm/V, and the fabricated nanogenerator based on the nanorod arrays can generate the output voltage as high as 10 V.Key words:potassium-sodium niobate; nanorod arrays; hydrothermal method; oriented growth; piezoelectric property; nanogenerator铌酸钾钠（KNN）材料是一种性能优良的无铅压电材料，其具有压电常数大、居里温度高等优点，是铅基压电材料的良好替代者之一[1-2]，其较高的压电常数和杨氏模量使其在能量收集和自供电可穿戴设备等方面表现出极高的潜在应用价值[3-4]。
在众多制备低维氧化物纳米材料的方法中，水热法具有工艺简单、可控性高和成本低廉等众多优势[5]，但利用水热法获得高质量且取向单一的KNN纳米棒阵列却比较难[6-7]，且KNN纳米棒轴向压电性能和其在能量收集领域的应用也有待深入研究。
本文采用水热法在不同取向的单晶钛酸锶(STO)衬底上合成了KNN一维纳米结构，研究了衬底取向对产物的物相、形貌和结构的影响，分析了不同衬底上的KNN形成的原因。
并对在(100)-STO上合成研究与试制收稿日期：2017-03-22 通讯作者：张翔晖基金项目：国家自然科学基金资助(No. 10504099)；湖北自然科学基金资助(No. 2013CFB014)作者简介：张翔晖（1984－），男，江西高安人，讲师，博士，研究方向为低维纳米材料与光电器件，E-mail: xhzhang@ ；贺亚华（1992－），男，湖北荆州人，研究生，研究方向为无铅压电纳米棒的可控生长与性能研究，E-mail: hyh_hust_2010@ 。
网络出版时间：2017-05-11 13:24 网络出版地址：/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1324.004.html第36卷 第 5 期 17贺亚华等：铌酸钾钠纳米棒阵列的取向生长和压电性能研究 的[110]取向的KNN 纳米棒的轴向压电性能及其压电发电性能进行了研究。
1 实验以Nb 2O 5、KOH 、NaOH 为起始反应原料，采用水热法在不同取向STO 上生长KNN 纳米棒。
在8 mol/L 的介质碱度条件下，按照K/Na 摩尔比为74/26分别称取KOH 和NaOH ，然后和一定量的Nb 2O 5混合溶解在去离子水中，充分搅拌之后装移到聚四氟乙烯的反应内胆中，然后将STO 衬底放在用聚四氟乙烯特制的支架上，支架距离底部15 cm ，最后在190 ℃温度条件下反应24 h 。
采用的STO 衬底有三种，分别为(100)取向、(110)取向和(111)取向。
采用X 射线衍射光谱（XRD, Bruker D8 Advance/CuK α, λ=0.154 nm ）对材料的物相进行表征；场发射扫描电子显微镜（FESEM, Hitachi S-4800/加速电压10 kV ）进行表面形貌分析；以及采用透射电子显微镜（TEM, FEI Tecnai G 2/加速电压200 kV ）进行晶格以及取向分析；扫描探针显微镜（SPM, Ntegra upright, NT-MDT, Moscow, Russia ）用来进行PFM 测试。
2 实验结果及分析2.1 不同衬底上合成KNN 的XRD 分析为了探索水热反应后在不同衬底上合成的KNN 的物相，对得到的产物进行了XRD 分析，结果如图1所示。
与KNN 标准样品PDF 卡片32-0822相比对可以看出，(100)-STO 和(110)-STO 的衬底上有正交相的KNN 样品生成，而在111-STO 上没有明显的KNN 样品的峰，同时经过比对可以看出在100-STO 上是[110]取向的KNN ，在(110)-STO 上是[111]取向的KNN ，取向都较为单一且结晶性好。
图1 不同衬底上合成的KNN 的XRD 谱Fig.1XRD patterns of KNN synthesized on different STOsubstrates2.2 不同衬底上合成KNN 的SEM 分析图2为不同衬底上合成的KNN 正面和侧面SEM 照片。
图2(a~c)为正面SEM 照片，图2(d~f)为侧面SEM 照片，结果表明，不同衬底上合成的KNN 在形貌上有很大的差别，在(100)-STO 衬底上有纳米棒阵列合成，其中一些纳米棒由于过长而出现一定程度的倒伏现象。
此外，纳米棒垂直衬底取向生长，取向度较高。
而在(110)-STO 衬底的表面也(a, d) (100)STO; (b, e) (110)STO; (c, f) (111)STO 图2 不同衬底上合成的KNN 的正面和侧面SEM 照片Fig.2 Top-view and side-view SEM images of synthesized KNN on different STO substratesI (a .u .)(100)-STO 20 30 40 50 602θ / (︒) (110)-STO(111)-STO18贺亚华等：铌酸钾钠纳米棒阵列的取向生长和压电性能研究V ol.36 No.5 May 2017有一些棒状结构生成，但这些棒状结构明显呈相互垂直取向生长。
同样，在(111)-STO衬底表面所生长的样品沿三个相互正交的取向生长，但是在XRD测试中并未出现明显的KNN的衍射峰，这是由于在(111)-STO衬底表面的KNN样品太少。
2.3 KNN纳米棒阵列中单根纳米棒的TEM分析为了分析KNN纳米棒的取向及其晶格结构，对(100)-STO衬底表面上生长的KNN纳米棒进行了TEM表征，如图3所示。
从图3(a)的选区电子衍射(SAED)斑点可以看出，纳米棒为单晶正交相结构。
图3(b)为KNN纳米棒的高分辨透射电镜(HRTEM)照片。
通过测量晶面间距可以发现，在(100)-STO衬底表面生长的KNN纳米棒为[110]取向。
根据上述结果，结合XRD图谱和表1所示的STO与KNN晶面间距比较结果可知，正交相KNN(110)晶面与STO 的(100)晶面匹配度最高，有利于其表面上[110]取向KNN纳米棒阵列的生长并抑制其在[001]方向的生长。
此外，当衬底表面为(110)面时，产物可以沿[110]和[001]两个取向生长，构成(111)-KNN晶面向上的结构，实现与(110)-STO晶面的匹配。
然而，当衬底为(111)-STO表面时，纳米棒可同时沿[110]、[001]和[110]这三个相互垂直的方向生长。