席凱彪，侯育冬，于肖樂(lè)，鄭木鵬，朱滿康

(北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124)

0 引言

鐵電性是構(gòu)建鐵電器件的物理基礎(chǔ)。壓電效應(yīng)作為鐵電材料重要的物理性質(zhì)之一，已被大量研究并廣泛應(yīng)用于傳感器、致動(dòng)器及能量收集器等與人類生活相關(guān)的壓電器件領(lǐng)域。目前壓電器件中使用最多的壓電材料是以鋯鈦酸鉛(Pb(Zr, Ti)O3，PZT)及其改性多元系陶瓷為代表的鉛基壓電材料。但以鉛基材料為主體的壓電器件在使用周期中，鉛的流失和排放會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的危害[1-2]。為了保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的綠色協(xié)調(diào)發(fā)展，世界各國(guó)都相繼出臺(tái)了相關(guān)的政策和法律來(lái)限制鉛基壓電材料的使用，所以壓電陶瓷的無(wú)鉛化成為了壓電器件領(lǐng)域重要的研究目標(biāo)。

具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的極性氧化物因自發(fā)極化大和結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)而成為目前壓電材料的研究重點(diǎn)。常見(jiàn)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電材料體系主要有鈦酸鋇基(BaTiO3，BT)、鈦酸鉍鈉基((Na1/2Bi1/2)TiO3，NBT)、鐵酸鉍基(BiFeO3，BF)和鈮酸鉀鈉基((K,Na)NbO3, KNN)體系。KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷因?yàn)榫哂休^高的居里溫度(TC)和可調(diào)控的相界結(jié)構(gòu)，被視為替代鉛基材料強(qiáng)有力的候選者，從而引起了廣泛關(guān)注和大量研究。在本世紀(jì)初各國(guó)出臺(tái)環(huán)保法規(guī)的激勵(lì)下，經(jīng)過(guò)不懈努力和奮斗，科研工作者使得KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷在性能提升和器件應(yīng)用方面都取得了重大突破。本文簡(jiǎn)述KNN基壓電陶瓷的研究進(jìn)展及其在器件應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)例，并對(duì)KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷及其器件應(yīng)用未來(lái)的研究和發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)展望。

1 KNN基陶瓷研究進(jìn)展

1.1 KNN相結(jié)構(gòu)

(K, Na)NbO3是由鐵電體KNbO3和反鐵電體NaNbO3固溶形成的鈣鈦礦二元體系。1951年，Matthias等[3]通過(guò)測(cè)試介溫曲線和電滯回線證實(shí)了KNbO3具有鐵電性，呈現(xiàn)特征鐵電相轉(zhuǎn)變。圖1為KNbO3-NaNbO3二元體系相圖。由圖可看出，KNN具有豐富的相結(jié)構(gòu)。通常隨著溫度的升高，鉀鈉摩爾分?jǐn)?shù)接近1∶1的KNN經(jīng)歷了三方相(R)-正交相(O)-四方相(T)的相轉(zhuǎn)變過(guò)程，其在約-120 ℃由R相轉(zhuǎn)變?yōu)镺相，在約200 ℃由O相轉(zhuǎn)變?yōu)門相，在室溫附近主要以O(shè)相為主，豐富的相結(jié)構(gòu)為其性能的調(diào)控提供了可能。

圖1 KNbO3-NaNbO3二元體系相圖[4]

1.2 KNN性能調(diào)控

1.2.1 壓電性

純KNN的壓電常數(shù)(d33)只有80 pC/N，不能滿足常規(guī)壓電器件的使用要求，因此需要從制備工藝、體系設(shè)計(jì)等方面協(xié)調(diào)把控來(lái)提升KNN的綜合性能。

1) 制備工藝

通常采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法制備KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷，在燒結(jié)過(guò)程中由于堿金屬K、Na的揮發(fā)會(huì)使成分偏離正?；瘜W(xué)計(jì)量比，且在燒結(jié)過(guò)程中易于產(chǎn)生大量氣孔，使得致密度下降，進(jìn)而導(dǎo)致材料整體的電學(xué)和力學(xué)性能惡化。為此，科研工作者采取了高于化學(xué)計(jì)量比添加K、Na元素，添加助燒劑，坩堝埋粉法、兩步燒結(jié)法及三步燒結(jié)法等[5-6]方法來(lái)減少K、Na揮發(fā)，維持KNN的性能，并取得了一定成效。此外，采用激光燒結(jié)技術(shù)、放電等離子燒結(jié)技術(shù)、熱壓燒結(jié)技術(shù)、模板晶粒生長(zhǎng)技術(shù)等[7-8]特種燒結(jié)技術(shù)也可有效減少堿金屬揮發(fā)，提升陶瓷致密性，但是這些制備方法存在生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜等問(wèn)題，如果將它們投入到壓電器件量產(chǎn)中，尚存在難度，因此，更重要的還是需基于常規(guī)固相燒結(jié)技術(shù)，從KNN體系組成設(shè)計(jì)入手改善材料性能。

2) 體系設(shè)計(jì)

已有研究表明，在KNN中摻雜特定元素或引入其他改性組元來(lái)調(diào)制體系物相組成，壓電性能會(huì)有明顯的提升和改善。最常見(jiàn)且行之有效的方法是相界設(shè)計(jì)工程。前文提到KNN具有豐富的相結(jié)構(gòu)，在KNN中構(gòu)建出類似于PZT的準(zhǔn)同型相界或多型相共存結(jié)構(gòu)，對(duì)于其壓電性能的提升尤為重要。Wu等[9]通過(guò)設(shè)計(jì)不同的改性體系，在KNN基材料中構(gòu)建出R-O、O-T、R-T和R-O-T等多種不同的相界，并系統(tǒng)分析了這些特征相界對(duì)KNN多元體系電學(xué)性能的影響規(guī)律，為此類無(wú)鉛材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了指導(dǎo)。表1為一些代表性KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的組成及其壓電性能。表中，kp為機(jī)電耦合系數(shù)。此外，結(jié)合多層次微納結(jié)構(gòu)解析與精細(xì)化材料理論計(jì)算，科研工作者還進(jìn)一步明確缺陷工程[10]、疇工程[11]、晶粒工程[12]等改性機(jī)理，對(duì)KNN壓電性能提升方法進(jìn)行了完善補(bǔ)充，也為KNN基壓電陶瓷向壓電器件的進(jìn)一步移植增添了可能性。

表1 一些代表性KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的組成及其壓電性能

1.2.2 穩(wěn)定性

壓電器件需要在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中使用，這對(duì)壓電材料的穩(wěn)定性如熱穩(wěn)定性、抗疲勞性、力學(xué)斷裂韌性等提出了要求，它們是評(píng)估壓電材料能否實(shí)際應(yīng)用的重要因素。

1) 熱穩(wěn)定性

在KNN中構(gòu)建的多晶型相界，其壓電性質(zhì)不僅受組分的調(diào)控，而且還受溫度的影響，這與PZT壓電陶瓷的特征MPB相界不同，因此,如何確保KNN具有良好的壓電常數(shù)溫度穩(wěn)定性是其應(yīng)用于壓電器件所面臨的一大難題。目前，對(duì)于檢測(cè)KNN壓電常數(shù)溫度穩(wěn)定性主要方法有高溫退火后在室溫測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)、原位變溫測(cè)量大信號(hào)壓電常數(shù)和原位變溫測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)。關(guān)于KNN熱穩(wěn)定性已進(jìn)行了大量研究，Zheng等[19]通過(guò)在0.96(K0.44Na0.56)(Nb0.95Sb0.05)O3-0.04Bi0.5(Na0.18K0.82)0.5ZrO3基體中引入第二相ZnO構(gòu)建0-3型復(fù)合陶瓷，當(dāng)溫度從23 ℃增加到200 ℃時(shí)，該體系的單極應(yīng)變波動(dòng)范圍在16%左右，良好的溫度穩(wěn)定性與第二相穩(wěn)定局部極化機(jī)制有關(guān)。Liu等[20]采用構(gòu)建彌散相變的策略，在0.925(LixNa0.53K0.47-x)NbO3體系中加入BaZrO3和 (Bi0.5Na0.5)ZrO3，實(shí)現(xiàn)了寬溫度范圍內(nèi)的彌散相變，該體系呈現(xiàn)較高壓電常數(shù)(約330 pC/N)的同時(shí)，在一般應(yīng)用溫度范圍(25～100 ℃)內(nèi)壓電常數(shù)變化率僅為10%。結(jié)果表明，通過(guò)控制R-O和O-T相變行為來(lái)調(diào)整相變溫度范圍是實(shí)現(xiàn)KNN基陶瓷高壓電性和良好溫度穩(wěn)定性的有效方法。圖2為提升KNN熱穩(wěn)定性的常見(jiàn)方法，其核心是增強(qiáng)材料的畸變度與疇構(gòu)型的溫度穩(wěn)定性。雖然在提升其熱穩(wěn)定性的同時(shí)，會(huì)犧牲部分壓電性能，但是改性后的KNN基陶瓷仍然可滿足一些壓電器件的使用要求，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

圖2 提升KNN熱穩(wěn)定性的方法

2) 抗疲勞性

3) 力學(xué)斷裂韌性

一些壓電振動(dòng)傳感器、振動(dòng)能量收集器等壓電器件需要在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境中工作，這就需要陶瓷材料具有優(yōu)異的斷裂韌性來(lái)確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行且不會(huì)出現(xiàn)故障。然而，壓電陶瓷主要由離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合，具有明顯的脆性。研究表明，室溫下KNN的內(nèi)在斷裂韌性KI0約為0.70 MPa·m0.5，和軟性PZT(0.78 MPa·m0.5)相當(dāng)，高于BCT-BZT的內(nèi)在斷裂韌性(0.45 MPa·m0.5)[24]。通過(guò)改善壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)可以增加斷裂韌性來(lái)抵抗微裂紋的擴(kuò)展，降低材料開(kāi)裂的可能性[25]。通常的增韌方法有相變?cè)鲰g、微裂紋增韌、晶粒細(xì)化增韌、表面殘余應(yīng)力增韌、復(fù)相增韌及鐵彈增韌等，可以把兩種或兩種以上的增韌機(jī)理結(jié)合在一起來(lái)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。Tan等[26]合成制備了(K0.48Na0.52)1-x(Li0.15Na0.85)xNb0.98Sb0.02O3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3-0.02CaTiO3體系，通過(guò)觀察微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其存在晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。正是由于粗晶的存在可抵抗微裂紋擴(kuò)展，且還可使微裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、扭曲,從而達(dá)到增韌效果。該工作還指出，在同一材料中很難同時(shí)獲得高的壓電性能和良好的機(jī)械性能，而合理平衡其關(guān)系對(duì)于壓電器件的實(shí)際應(yīng)用更合理。

2 KNN基壓電器件應(yīng)用

壓電器件主要利用了壓電材料的正逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)機(jī)械力作用于壓電晶體時(shí)，在晶體表面的兩個(gè)電極端面上會(huì)出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷，電荷與力有關(guān)，當(dāng)機(jī)械力撤去時(shí)，電荷會(huì)消失；逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)電場(chǎng)作用于壓電晶體時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生形變且形變和電場(chǎng)有關(guān)，若撤除電場(chǎng)，晶體則又恢復(fù)原狀。利用KNN基壓電陶瓷的正、逆壓電效應(yīng)已研制出了眾多不同的壓電器件。

2.1 正壓電效應(yīng)壓電器件

1) 聲表面波傳感器

聲表面波傳感器是一種建立于高頻機(jī)械振蕩器基礎(chǔ)上的傳感器件，由于聲表面波的傳播速度與衰減和其所處環(huán)境及介質(zhì)參量有關(guān)，所以聲表面波傳感器已廣泛應(yīng)用于電子、化工、醫(yī)學(xué)及環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域[27]。聲表面波傳感器中材料需具有高機(jī)電耦合系數(shù)和小介電損耗，以實(shí)現(xiàn)高帶寬和高頻操作。Weng等[28]設(shè)計(jì)了一種(Na0.535K0.48)NbO3+ 0.05LiNbO3(NKL0.05N)陶瓷，利用NKL0.05N制作的聲表面波傳感器(見(jiàn)圖3)呈現(xiàn)出高相速度(3 210 m/s)和高機(jī)電耦合系數(shù)(約6.7%)，機(jī)電耦合系數(shù)高于大多數(shù)PZT陶瓷(1%～4%)。測(cè)試結(jié)果表明，原型件具有良好的溫度傳感能力和極好的穩(wěn)定性，可應(yīng)用于機(jī)電傳感器及各種聲表面波傳感器。

圖3 使用NKL0.05N陶瓷制造的聲表面波傳感器示意圖

2) 壓電爆震傳感器

爆震傳感器是一種將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的壓電傳感器，通常安裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震是否可能發(fā)生，以便通過(guò)電子控制系統(tǒng)提前調(diào)整點(diǎn)火時(shí)間，避免爆震。其工作原理是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生震動(dòng)或敲缸時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生一個(gè)電壓峰值，敲缸或震動(dòng)越大，產(chǎn)生的峰值越大。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元對(duì)接收到的爆震傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，如果判斷爆震發(fā)生，則會(huì)推遲點(diǎn)火；如果控制單元未接收到爆震傳感器信號(hào)時(shí)，則會(huì)提前點(diǎn)火，保證輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳功率[29]。因此，采用壓電爆震傳感器的目的是在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的同時(shí)不產(chǎn)生爆震。爆震傳感器的實(shí)際靈敏度(SP)受到壓電材料的壓電電壓常數(shù)(g33)和kp值影響，用Pb(Zr，Ti)O3(PZT)基陶瓷合成的商用爆震傳感器在共振頻率下的SP為112 mV/g(g=9.8 m/s2)。Kim等[30]使用CuO摻雜的0.95(Na0.5K0.5)(Nb0.95Sb0.05)O3-0.05CaTiO3陶瓷制作了爆震傳感器，如圖4(a)所示。其g33=25.7 Vm/N，kp=0.46，在共振頻率下，SP=119 mV/g，高于商用PZT基陶瓷爆震傳感器，可作為替代基于PZT商用爆震傳感器的候選者。

圖4 KNN基壓電陶瓷爆震傳感器示意圖及應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓電陶瓷爆震傳感器

3) 壓電能量收集器

壓電能量收集器利用正壓電效應(yīng)原理將環(huán)境中廢棄的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可用的電能，由于其具有與微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的高度兼容性，易于小型化與集成化，從而展現(xiàn)出在低功耗自供電微傳感器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。壓電能量收集器中常用的壓電材料為壓電陶瓷，其機(jī)電轉(zhuǎn)換性能是影響能量收集效率的關(guān)鍵因素之一，需要壓電陶瓷同時(shí)具有高的壓電電壓常數(shù)和高的壓電電荷常數(shù)。目前，壓電能量收集陶瓷的研發(fā)主要集中在通過(guò)體系組元設(shè)計(jì)與摻雜改性提高其機(jī)電轉(zhuǎn)換性能上。Zheng等[31]研究制備了一種高質(zhì)量的錳改性(K0.5Na0.5)NbO3(Mn-KNN)基無(wú)鉛壓電陶瓷(d33=122 pC/N,kp=37%)，為了評(píng)估其發(fā)電特性，構(gòu)建了懸臂梁式壓電能量收集器，如圖5(a)所示。測(cè)試結(jié)果表明，在加速度為40 m/s2下，其輸出功率為85 μW，電壓峰-峰值為16 V。此外，在106次循環(huán)情況下，Mn-KNN壓電能量收集器仍表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能，證實(shí)了其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自供電電源方面的應(yīng)用價(jià)值。此外，Lin等[32]采用織構(gòu)技術(shù)制備了0.99K0.5Na0.5Nb(1-x)TaxO3-0.01Bi(Ni2/3Nb1/3)O3陶瓷(d33=435 pC/N,kp=71%,TC=360 ℃)，并將性能最優(yōu)組分制作成圓膜片型壓電能量收集器，如圖5(b)所示。測(cè)試結(jié)果表明，該能量收集器具有較高的輸出電壓(U≈13 V)和輸出功率(W≈3 mW)，同時(shí)在200 ℃下加熱30 min后，性能仍可保持在60%以上，顯示出其在高溫壓電能量收集器中的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 Mn-KNN懸臂梁型壓電能量收集器示意圖及圓膜片型壓電能量收集器實(shí)物圖

2.2 逆壓電效應(yīng)壓電器件

1) 微壓電噴墨打印噴頭

微壓電噴墨打印噴頭利用逆壓電效應(yīng)原理，需要壓電陶瓷具有大的壓電常數(shù)和較高的機(jī)械強(qiáng)度。接通電路后，伸縮振動(dòng)的壓電元件推動(dòng)振動(dòng)金屬板使噴嘴中的墨汁定向噴出，從而在介質(zhì)表面形成精細(xì)圖案。圖6(a)為微壓電噴墨打印噴頭結(jié)構(gòu)示意圖。與熱噴墨打印技術(shù)相比，該過(guò)程無(wú)需加熱，能精準(zhǔn)控制墨滴的大小和噴射方向，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的打印[33]。東京工業(yè)大學(xué)研究小組和柯尼卡美能達(dá)公司合作在(K, Na)NbO3中添加BiFeO3制備出高密度陶瓷，展現(xiàn)出出色的壓電性能(d33= 430 pC/N)，并利用該材料制出噴墨頭，如圖6(b)所示，成功噴出油墨微粒。研究小組預(yù)測(cè)噴墨頭的壓電效果已達(dá)到可充分驅(qū)動(dòng)噴墨裝置的水平[34]，因此，有望在微壓電噴墨打印噴頭關(guān)鍵材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)鉛化。

圖6 微壓電噴墨打印噴頭結(jié)構(gòu)示意圖及微壓電噴墨打印噴頭實(shí)物圖

2) 壓電馬達(dá)

壓電馬達(dá)同樣利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)原理，在交變電場(chǎng)作用下，陶瓷產(chǎn)生振動(dòng)和微小的變形，將電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，從而實(shí)現(xiàn)大行程的精密定位和位移輸出。目前，壓電馬達(dá)已經(jīng)在航空航天、儀器儀表、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。壓電馬達(dá)需要壓電材料同時(shí)具有高壓電常數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)、高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度及低介電損耗。Hong等[35]制備了0.95(Na0.49K0.49Li0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3-0.05CaZrO3+2% MnO2無(wú)鉛陶瓷(d33= 320 pC/N，kp= 47%)，并利用其制造了一種環(huán)形壓電超聲馬達(dá)(見(jiàn)圖7)，將其嵌入數(shù)碼相機(jī)的商業(yè)化自動(dòng)對(duì)焦模塊中，展現(xiàn)了良好的性能，這使KNN基材料成為壓電馬達(dá)應(yīng)用中有前途的候選者。

圖7 環(huán)形振動(dòng)器及壓電馬達(dá)

3) 壓電陶瓷蜂鳴器

2.3 正、逆壓電效應(yīng)結(jié)合壓電器件——壓電變壓器

基于壓電效應(yīng)原理的壓電變壓器是電力和電子信息裝備領(lǐng)域的重要器件。與傳統(tǒng)的電磁變壓器相比，壓電變壓器具有耐高溫高壓、轉(zhuǎn)換效率高、升壓比大及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、智能手機(jī)、空氣凈化器等電子信息產(chǎn)品中。經(jīng)典的Rosen型壓電陶瓷變壓器可以看作壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和壓電陶瓷傳感器的結(jié)合。圖9(a)為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理示意圖[37]。在輸入端通過(guò)逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過(guò)輸出端基于正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，利用阻抗變換與機(jī)電能量的二次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)升壓。諧振狀態(tài)下Rosen型壓電陶瓷變壓器在空載時(shí)的升壓比(A∞)為

(1)

最大效率ηm為

(2)

式中：Qm，k31，k33分別為壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、橫向機(jī)電耦合系數(shù)和縱向機(jī)電耦合系數(shù)；l，t分別為壓電陶瓷變壓器發(fā)電部分的長(zhǎng)度和壓電陶瓷變壓器的厚度。

圖9 Rosen型壓電陶瓷變壓器工作原理示意圖及圓盤(pán)形壓電陶瓷變壓器

由式(1)、(2)可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)高升壓比和高轉(zhuǎn)換效率，需要壓電陶瓷材料具有高機(jī)電耦合系數(shù)和高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)需要低介電損耗防止器件發(fā)熱失效。2007年，香港理工大學(xué)的研究人員制備出K0.5Na0.5NbO3-K5.4Cu1.3Ta10O29-MnO2體系[38]，該體系的d33= 90 pC/N,kp= 0.40,Qm= 1 900，其綜合性能優(yōu)異。利用該體系制作了Rosen型壓電變壓器，并對(duì)壓電變壓器在第一、二種模式下的工作特性進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，對(duì)于第一種模式，當(dāng)溫度升高14 ℃時(shí)，變壓器的最大輸出功率為0.7 W;而對(duì)于第二種模式，當(dāng)溫度升高33 ℃時(shí)，變壓器的最大輸出功率為1.8 W。這證明KNN基壓電陶瓷可以作為高壓-低電流設(shè)備的潛在無(wú)鉛候選材料。呂應(yīng)剛等[39]采用改性的(Na0.5K0.5)(Nb0.9Ta0.1)O3(Qm= 1 563, tanδ= 0.4%,kp=0.42)制備了圓盤(pán)形壓電陶瓷變壓器，如圖9(b)所示。測(cè)試結(jié)果表明，在其諧振頻率時(shí)，可得到空載升壓比大于42倍的無(wú)鉛壓電陶瓷變壓器，顯示出KNN無(wú)鉛壓電陶瓷在壓電變壓器中的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

通過(guò)科研工作者的不懈努力，KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷的綜合壓電性能近年來(lái)有了很大提升，已可在一些中低端壓電器件中得以部分應(yīng)用，但還不能完全取代PZT實(shí)現(xiàn)各類壓電器件的無(wú)鉛化。關(guān)于KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷，仍存在許多關(guān)鍵性基礎(chǔ)問(wèn)題需深入分析和驗(yàn)證：

1) 兼具優(yōu)異壓電溫度穩(wěn)定性與力學(xué)性能KNN體系設(shè)計(jì)方法。

2) 相界/疇?wèi)B(tài)/缺陷工程提升KNN壓電性能的深層物理機(jī)制。

3) KNN基無(wú)鉛陶瓷常規(guī)制備工藝的可重復(fù)性與電極的匹配性。

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的提出，我們要加快降低碳排放步伐，大力發(fā)展可再生能源，提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競(jìng)爭(zhēng)力，這既為壓電器件的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇，同時(shí)也帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。未來(lái)壓電器件的發(fā)展方向和目標(biāo)主要為：

1) 無(wú)鉛化。發(fā)展環(huán)境友好型的無(wú)鉛壓電器件核心材料是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。

2) 小型化。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，壓電器件將在精密電子儀器中越來(lái)越重要，壓電器件的小型化是大勢(shì)所趨。

3) 產(chǎn)業(yè)化。要盡快實(shí)現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的健康商業(yè)鏈條，提升我國(guó)壓電產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

KNN基壓電材料已發(fā)展了70年，科研工作者在材料制備、理論研究、器件應(yīng)用等方面取得了較多成果，在今后發(fā)展中必將實(shí)現(xiàn)更大的突破。