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《西南民族大学》 2017年
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KNN基无铅压电陶瓷的相界设计与电学性能研究

陈波  
【摘要】:碱金属铌酸盐(KNN)基无铅压电陶瓷因其良好的压电性能和较高的居里温度,是最有潜力取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系之一。为提高KNN陶瓷的电学性能,研究较为广泛的是降低正交-四方相变温度(TO-T),在室温附近构建正交-四方相界;或是提高三方-正交相变温度(TR-O),在室温区构建三方-正交相界。然而,这两种手段得到的KNN陶瓷体系的压电常数与铅基压电陶瓷相比仍存在很大的差距。近年来,研究者提出在KNN陶瓷中构建类似于Pb(Zr,Ti)O_3体系的三方-四方准同型相界(R-T相界)的新思路,将TO-T和TR-O同时调控至室温附近,成功的得到了一些高性能的KNN陶瓷体系。本论文以“新型相界构建”新思路为出发点,系统研究了(Bi,Sm)_(0.5)Na0.5ZrO_3和(Bi,Me)_(0.5)(Na,K)_(0.5)ZrO_3(简写为BSNZ和BMNKZ,其中Me3+=La3+、Nd3+、Sm3+)添加物对(K,Na)NbO_3(KNN)、(K,Na)(Nb,Sb)O_3(KNNS)和(K,Na)(Nb,Ta,Sb)O_3(KNNTS)的微观形貌、晶体结构、相界演变和宏观性能的影响。结果显示,添加BSNZ和BMNKZ能够在室温区构建出R-T/R-O-T相界,从而大大提高了体系的电学性能。本文研究结果如下:1.采用传统固相反应法制备了(1-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-x(Bi_(0.46)Nd_(0.04))(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)ZrO_3(简写为KNN-xBNNKZ)、(1-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-x(Bi_(0.46)La_(0.04))(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)ZrO_3(简写为KNN-xBLNKZ)、和(1-x)K_(0.48)Na_(0.52)NbO_3-x(Bi_(0.45)Sm_(0.05))(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)ZrO_3(简写为KNN-xBSNKZ)三个陶瓷体系。研究发现,随着BMNKZ含量的增加,TO-T和TR-O同时被调控至室温附近。当室温区实现R-T或R-O-T共存态时体系压电性能大幅增强。三个压电陶瓷体系的最优性能如下:KNN-xBNNKZ(x=0.05),d33=308pC/N,kp = 43%,εr=1205,tanδ=3.8%,Pr=23.45 μC/cm2,TC=331 °C;KNN-xBLNKZ(x=0.05),d33=368 pC/N,kp = 44.7%,εr =1358,tanδ=3.5%,Pr=22.8 μC/cm2,Ec=12kV/cm,TC=323°C;KNN-xBSNKZ(x=0.05),d33=342 pC/N,kp = 46%,εr =1476,tanδ=4.3%,Pr=23.7 μC/cm2,Ec=12 kV/cm,TC=328°C。2.采用传统固相反应法制备了(1-x)K_(0.48)Na_(0.52)Nb0.96Sb0.04O_3-x(Bi_(0.45)Sm_(0.05))(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)ZrO_3(简写为KNNS-x BSNKZ)陶瓷体系。研究发现,随着BSNKZ含量的增加,体系的TO-T下降较快,而TR-O上升相对缓慢,二者相互靠近最终在室温区实现R-T的共存,此时陶瓷的压电性能最优:KNNS-xBSNKZ(x=0.045),d33=480 pC/N,kp=48%,εr=2180,tanδ=3.6%,Pr=19.5μC/cm2,Ec=8.1 kV/cm,TC=258°C。3.采用传统的固相反应法制备了0.96K0.4Na0.6Nb0.97-xTa0.03SbxO_3-0.04(Bi_(0.45)Sm_(0.05))Na0.5ZrO_3(简写为KNNTSx-BSNZ)陶瓷体系。研究发现,随着Sb含量的增加,TO-T和TR-O很快被调控至室温附近。当Sb的含量从0.02变到0.07时,陶瓷在室温附近均为R-T共存,当x=0.045时陶瓷体系性能最优:KNNTSx-BSNZ(x=0.045),d33=510 pC/N,kp=44%,εr=2136,tanδ=4.1%,Pr=20.4μC/cm2,Ec=7.85 kV/cm,TC=238°C。
【学位授予单位】:西南民族大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ174.1

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