1. 研究目的与意义（文献综述）

材料、能源和信息是现代文明的三大支柱，而材料是现代社会发展的重要物质基础。研究开发新型、高性能的功能材料，已经受到人们的广泛关注和重视。压电效应是curie兄弟于1880年在石英单晶中首次发现的^[1]，它是指压电材料在力的作用下可以产生电荷，而在电的作用下可以产生应变的物理效应。时至今日，压电材料已经在现代电子信息等诸多领域发挥了重要的作用，其研究和发展在很大程度上影响着一些高新技术的发展。目前，应用最广泛的压电材料是pb(zr,ti)o₃（pzt）基压电陶瓷。pzt基压电陶瓷有着很多的优点，例如机电耦合系数高、易极化而不易退极化、温度稳定性好等^[2]。但是，铅元素属于有毒重金属，pzt等含铅的压电陶瓷在生产、使用和废弃处理得过程中，对环境的破坏是不容忽视的，这与人类可持续发展的目标相悖。因此，国内外学者一直都致力于无铅压电陶瓷的研究，代替pzt基压电陶瓷的使用。

较多研究和报道的无铅压电陶瓷按照晶体结构可以分为三类：钙钛矿结构、钨青铜结构和铋层状结构无铅压电陶瓷^[3]。钙钛矿结构无铅压电陶瓷主要有三个体系：钛酸钡体系、铌酸钾钠体系和钛酸铋钠体系。其中，钛酸铋钠（bi_1/2na_1/2tio₃，bnt）基无铅压电陶瓷是由smolensky等人与1960年首次合成并报道bnt压电效应^[4]。由于bnt基陶瓷具有剩余极化大，居里温度较高，烧结温度低等优点^[5,6]，在诸多无铅压电陶瓷体系中备受瞩目，成为研究的重点之一。但是，由于bnt陶瓷矫顽场大，以致极化困难，使得bnt在实用化上受到很大的限制^[7]。使用bi_1/2k_1/2tio₃（bkt）与bnt进行固溶，可以明显降低矫顽场，从而部分解决了bnt极化困难的问题^[8]。此外，对于bnt-bkt二元体系的准同型相界（mpb）组成bi_1/2(na_0.8k_0.2)_1/2tio₃（bnkt）^[8]，压电性能也有显著的提高。

2007年，zhang等人发现bi_1/2na_1/2tio₃-batio₃-(k,na)nbo₃（bnt-bt-knn）陶瓷在外加电场可以获得高达0.45%的大应变，表明bnt基陶瓷在大行程的微位移驱动领域具有良好的应用潜力^[9]。wook jo等发现，bnt基陶瓷的大电致应变源于电场作用下的弛豫-铁电相变，这与pzt等典型铁电陶瓷的电致应变机理有所不同。因此，他们提出了大电致应变（gaint electric-field-induced strain）的概念，以明确定义这种以牺牲剩余极化和压电性为代价而产生的应变^[10]。此后，关于bnt基压电陶瓷的大量的研究工作致力于通过掺杂或固溶等方法获得大的电致应变。例如：amir ullah等人在研究中发现0.99[bi_0.5(na_0.4k_0.1)(ti_1-xnb_x)o₃]-0.01(ba_0.7sr_0.3)tio₃（bnktn-bst）陶瓷当nb含量x = 0.2 %在外加电场下获得一个接近0.4 %的巨电致应变^[11]；pham等人分别报道出在nb元素掺杂bnkt陶瓷的实验研究中，在外加电场下分别获得了0.45 %和0.47 %的大电致应变^[12-13]；xiaoming liu等人在nb掺杂的无铅(bi_1/2na_1/2)tio₃基多晶陶瓷中观察到0.70%的巨大的电致应变^[14]。由此可见，nb元素掺杂是使bnt基陶瓷获得大的电致应变的有效方法。bnt基陶瓷的大电致应变，通常需要在很高的临界电场（通常为4 ~ 5 kv/mm）下才能的产生，这在一定程度上限制了其在实际中的应用。从大应变的产生机理可以看出，大应变产生所需的临界电场应当与弛豫-铁电相变的临界电场相当。因此，如果能够稳定铁电相，即使得材料在较低的电场下发生弛豫-铁电相变，那么相应的大应变产生所需的临界电场也会得到降低。wook jo等人研究发现bnt-bt-knn陶瓷通过掺杂fe³ 受主离子，可以生成用于电荷补偿的缺陷偶极，增加铁电序的稳定性，增加低电场下的极化和电致应变响应^[15]。因此，在bnt基大应变陶瓷中引入fe掺杂，有望降低大应变产生所需的临界电场。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1. 使用固相烧结法，制备nb掺杂和fe、nb共掺的bnkt陶瓷，并对制备的材料进行结构和电学性能表征；

2. 研究nb掺杂和fe、nb共掺对bnkt陶瓷电致应变性能的影响。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4-10周：使用固相烧结法，制备fe、nb共掺bnkt陶瓷；

第11-12周：采用xrd、fe-sem等对样品的物相、显微结构进行表征，通过电滞回线、介电温谱、准静态压电系数和电致应变曲线对样品的铁电、介电、压电和电致应变性质进行测试分析；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] m.e. lines，a.m. glass. principles applications of ferroelectrics and related materials [m]. oxford: clarendon press, 1977.

[2] 傅剑, 李承恩, 赵梅瑜, 姚烈, 周家光, 陈建和. 低温烧结pzt压电陶瓷研究进展[j]. 材料导报, 2000, 1: 38-39.

[3] d.q. xiao, j.g. wu, l. wu, et al. investigation on the composition design and properties study of perovskite lead-free piezoelectric ceramics [j]. journal of materials science, 2009, 44: 5408-5419.