埃尔朗根-纽伦堡大学Acta Mater.：无铅BNT陶瓷复合材料中残余应力的研究

【引言】

无铅铁电材料，包括(K_0.5Na_0.5) NbO₃基(KNN)材料，(Bi₁/2Na1/2)TiO3基(BNT)材料和(Ba，Ca)(Zr，Ti)O₃，作为一类新型铁电材料，在致动器和传感器中有着广泛应用。然而，BNT材料在致动过程中存在明显的迟滞，可能会导致自热和元件失效。为解决这一难题，近日有学者研发出BNT陶瓷基复合材料，优化了无铅铁电体的机电响应，同时报道了关于陶瓷复合材料内部残余应力的研究。

【成果简介】

近日，来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Neamul H. Khansur(通讯作者)等人在Acta Mater.上发布了一篇关于无铅铁电材料的文章，题为“Investigation of residual stress in lead-free BNT-based ceramic/ceramic composites”。本文中研究了由无铅铁电材料组成的陶瓷/陶瓷多层复合结构的局部力学，化学和结构特性，以及共烧结对机电性能的影响。作者通过每个样品的厚度一致进行了纳米压痕和EDX实验，提供了化学成分，局部力学性能和微观结构的直接比较。为确定陶瓷层之间互扩散对晶体结构的影响，使用沿着复合材料横截面的微X射线衍射来表征晶体结构，从而观察这种互扩散的影响以及可能存在的残余应力。

【图片导读】

图1 单极应变-电场磁滞回线

陶瓷复合材料的单极应变响应增加大于 34％，这是由极化和应变耦合引起；此外，由烧结过程中的体积收缩和热膨胀失配或界面的互扩散而引起的残余内应力也会影响材料的宏观机电性能。

图2 样品能谱和纳米压痕测试

化学成分(基于K和Al含量的EDX分析)，晶粒尺寸，弹性模量和硬度随样品中的距离而变化。红线和蓝线分别对应于体积种子和基体材料的弹性模量。两端部件的硬度相同，并用黑色虚线表示。

图3 铁弹性测试

(a) 室温下BNT-7BT的应力-应变曲线；

(b) 弹性模量与应力的关系曲线。

图4 三层复合结构与单一基体维氏硬度对比

(a) 三层复合结构和维氏压痕示意图；

(b) 平行和垂直于界面的裂纹长度；

(c-f) 光学显微镜图像。

图5 微区XRD测试

(a) 陶瓷/陶瓷复合物从20到70°的衍射图案；

(b) 通过样品厚度计算出的c值、晶格参数和晶格畸变。

【小结】

这篇文章介绍了无铅铁电陶瓷/陶瓷多层复合结构的局部力学，化学和结构特性。研究结果表明，两个端部元件之间的互扩散和内部残余应力导致了BNT-7BT层中晶体结构和弹性性质的显著变化以及晶粒尺寸的减小。维氏压痕实验表明裂纹扩展具有各向异性，并证实了各层的应力状态，即BNT-7BT层的压应力和BNKT-6BA层的拉应力。数据进一步阐明了共烧结对复合材料的影响，揭示了由于烧结过程中的相互作用从而导致残余应力和结构变化的存在。这些相互作用可以通过优化来提高无铅压电材料系统的性能。

文献链接：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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