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A Comparative study of KNN-based piezoceramic composite synthesized by two different sintering methods

本研究表明，与传统烧结相比，两步烧结法显著增强了无铅KNN基压电陶瓷的介电、铁电和压电性能，从而获得了更优异的性能指标，例如更高的压电系数（d33 = 288 pC/N）和更强的弛豫行为。

原作者： Saraswati Rawat, Chongtham Jiten, Radhapiyari Laishram, K. Chandramani Singh

发布于 2026-07-23

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原作者： Saraswati Rawat, Chongtham Jiten, Radhapiyari Laishram, K. Chandramani Singh

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一个这样的世界：你的手机充电器、你的医疗超声波仪，甚至你智能家居里的扬声器，都可以不再使用铅——这种虽然擅长让物体振动，但对环境极不友好的有毒金属。科学家们正致力于寻找能够接替它的“无铅”英雄。其中一位明星候选材料叫做 KNN（铌酸钠钾）。把 KNN 想象成一个由原子组成的微型、充满能量的舞池。当你挤压它时，原子会随之挪动，产生电能；当你用电去电击它时，它们会跳舞并移动。这种双向的魔力被称为压电效应。

然而，问题在于 KNN 有点像个“大小姐”。它含有钾和钠这类成分，它们非常具有挥发性，这意味着如果温度稍微升高一点，它们就会喜欢蒸发到空气中。如果你试图像烤普通饼干那样去烘烤这些陶瓷片，它们往往会变得满是孔洞（多孔）或者缺失成分，从而毁掉它们的“舞步”。为了解决这个问题，科学家们一直尝试通过不同的“烘焙配方”（烧结方法），让原子紧密地结合在一起而不至于逃跑。核心问题在于：我们能否通过调整烘焙过程，让这些无铅材料跳出比以往更精彩的舞蹈？

这篇研究论文深入探讨了正是这样一个问题，通过对比两种不同的烘焙特定无铅陶瓷配方的方法。科学家们取了一份加入了少量额外成分（BNZ 和 SnO₂）的 KNN 混合物，并用两种方式进行烘烤：一种是标准的、“一成不变”的烤箱法（常规烧结），另一种是更复杂的“两步走”技术（两步烧结法）。你可以把标准方法想象成以恒定的温度烤蛋糕直到完成；而两步法更像是先用高温启动烤箱让面糊快速定型，然后显著降低热量，让蛋糕在不会烧焦或变干的情况下缓慢熟透。

结果显示，“两步法”烘焙师是明显的赢家。用这种方法制作的陶瓷更加致密且均匀，就像一个完美打包、没有任何空隙的行李箱。当科学家们测试这些材料的表现时，两步法的样品表现得明显更强。它具有更高的储电能力（介电常数为 2496，而标准法为 1502）以及更强的持电能力（剩余极化强度为 9.55 µC/cm²，而标准法为 5.53 µC/cm²）。最重要的是，在通过压力产生电能的实际“舞蹈”方面，两步法样品的压电系数达到了 288 pC/N，击败了标准样品的 221 pC/N。

论文还观察了材料内部原子的行为。他们发现，两步法创造了一种“弛豫”行为，这是一种高级说法，意指原子的状态变得更有弹性且带有某种有助于性能的混沌感，从而允许它们更容易地切换方向。这种灵活性结合紧密的堆积，使材料的效率大大提高。研究结论指出，通过简单地改变加热程序——即使用两步烧结法——我们可以显著提升这些环保材料的性能，使它们成为未来电子设备和医疗器械中更具前景的选择。

技术摘要：两种不同烧结方法合成的 KNN 基压电陶瓷复合材料对比研究

问题陈述
基于钠钾铌酸盐（KNN）的无铅压电陶瓷因其环境兼容性和优异的性能，被认为是铅基材料的卓越替代品。然而，通过传统空气烧结制备高密度 KNN 陶瓷受到其组成元素（Na 和 K）高挥发性的限制。这种挥发性往往导致化学计量比偏差和致密化程度差，从而限制了材料的介电和压电性能。虽然存在热压和放电等离子烧结等先进技术，但这些技术复杂且成本高昂。因此，需要通过优化更简单、具有工业可行性的方法（如空气烧结），例如通过改进温度曲线来获得致密、符合化学计量比且具有增强电学性能的陶瓷。

研究方法
本研究调查了一种具有特定成分的无铅压电陶瓷复合材料（组成为 0.982(K₀.₄₈₅Na₀.₄₈₅Li₀.₀₃)(Nb₀.₉₆Sb₀.₀₄)O₃-0.015Bi₀.₅Na₀.₅ZrO₃-0.003SnO₂，简称 KNN-BNZ-SnO₂）的电学和微观结构特性。粉末采用固相反应法合成，涉及高纯原料、球磨以及在特定温度（800°C–850°C）下的煅烧。

研究的核心是对应用于同一复合材料的两种不同烧结技术进行对比分析：

常规烧结 (CS)： 标准的单步空气烧结工艺。
两步烧结 (TSS)： 一种利用高初始温度随后接低保持温度的方法，用以控制晶粒生长和致密化。

所得陶瓷通过以下手段进行表征：

X 射线衍射 (XRD)： 用于确定相纯度和晶体结构。
扫描电子显微镜 (SEM)： 用于分析晶粒形貌并计算平均晶粒尺寸。
阿基米德法： 用于测量体积密度。
阻抗分析： 用于评估随温度和频率变化的介电性能，包括利用修正后的居里-外斯定律计算扩散系数 ( $\gamma$ )。
铁电回线描绘： 用于测量极化滞后特性（ $P-E$ 回线）、剩余极化 ( $P_r$ )、自发极化 ( $P_s$ ) 和矫顽场 ( $E_c$ )。
压电测试： 用于测定极化后的压电电荷系数 ( $d_{33}$ )。

主要结果
对比分析揭示了两种方法制备的陶瓷在性能上的显著差异：

微观结构与物相： 两种方法均得到了纯钙钛矿相，未发现第二相。然而，XRD 分析表明，CS 样品具有正交晶系结构，而 TSS 样品则表现出正交-四方混合相。TSS 样品中的这种混合相意味着增加了极化方向的数量，从而促进了更容易的偶极子切换。SEM 分析显示，TSS 样品实现了更高的体积密度（4.1607 g/cm³，而 CS 为 4.0293 g/cm³）和更均匀的晶粒尺寸分布（平均晶粒尺寸为 3.12 µm，而 CS 为 3.29 µm）。
介电性能： TSS 样品展现出更优越的介电性能。在室温下，TSS 的介电常数 ( $\varepsilon_{rt}$ ) 为 2496，而 CS 为 1502。TSS 样品还表现出更强的弛豫铁电特性，表现为较高的扩散系数 ( $\gamma = 1.70$ ，而 CS 为 $\gamma = 1.33$ )。此外，TSS 样品在整个测量温度范围内的介电损耗更低（降至 0.025，而 CS 为 0.045）。
铁电性能： TSS 样品显示出增强的铁电行为，具有更高的剩余极化 ( $P_r = 9.55$ µC/cm² vs. 5.53 µC/cm²) 和自发极化 ( $P_s = 11.7$ µC/cm² vs. 7.45 µC/cm²)。值得注意的是，TSS 样品的矫顽场 ( $E_c$ ) 较低（5.61 kV/cm），而 CS 为 9.86 kV/cm，这表明其畴壁切换更容易。
压电性能： 与改进的介电和铁电指标相对应，TSS 样品的压电系数显著提高 ( $d_{33} = 288$ pC/N，而 CS 为 $d_{33} = 221$ pC/N)。

意义与主张
作者得出结论，两步烧结 (TSS) 方法是提高 KNN-BNZ-SnO₂ 压电陶瓷整体性能的优选方法，优于常规烧结。研究将这些改进归功于 TSS 样品更好的致密化、更低的缺陷浓度以及更均匀的微观结构，这些因素共同促进了极化纳米区的形成并有助于畴壁切换。

本文主张，通过简单地改变烧结参数——特别是采用两步温度曲线——研究人员可以在不借助复杂、高成本加工技术的情况下，定制陶瓷样品的性能以达到所需的高性能指标。结果表明，TSS 方法在开发高性能无铅压电材料方面具有广阔的前景。

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