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稀土掺杂铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的结构和性能

王鹏飞  
【摘要】: 铌酸钠钾(KNN)基系列无铅压电陶瓷因其有较好的压电性能和高的居里温度点,正在作为一种前景广阔的无铅压电材料而受到广泛关注。但是此类压电陶瓷的介电和压电性能还有待显著提高。除了对最佳工艺参数的改进以外,关于铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的A,B位掺杂以提高上述性能的课题也正在被广泛研究。而国内外学者关于稀土元素(La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Ga, Dy, Er, and Lu)掺杂PbTiO3, (Pb0.5Zr0.5)TiO3,BaTiO3, (Bi0.5Na0.5)TiO3, SrTiO3陶瓷的研究也屡见报道。研究发现稀土元素掺杂对具有钙钛矿结构的陶瓷中的四方,立方和斜方相之间的相转变过程中产生的准同型相边界具有强烈的影响。 本文用常规固相合成法合成稀土元素Nd,Dy和Ho(掺杂质量分数x=0.1%, 0.5%, 1%, 2%, and 4%)掺杂0.942(Na0.53K0.47)NbO3-0.058LiNbO3基无铅压电陶瓷,并对其相转变,和压电介电性能进行研究。通过XRD衍射不仅验证了经过在750oC焙烧和1080oC烧结掺杂改性的陶瓷已形成大部分单相KNN固溶体和微量的第二相。红外和拉曼光谱检测结果发现NbO6八面体的键结构会随着掺杂量的增加而有规律地改变。结合X射线衍射和红外拉曼光谱检测结果可以发现:溶入A位的稀土元素掺杂对铌酸钠钾无铅压电陶瓷的晶体结构和相转变有一定的影响。随着Dy, Nd和Ho元素掺杂量的增加,从四方和斜方相共存相向四方和立方共存相的连续相转变逐渐发生。三种稀土元素掺杂量在1%~2%区间附近时具有四方相和立方相共存的准同型相边界存在(Morphotrobic Phase Boundary)。这些结果显示可以通过微量添加稀土元素来调整MPB区间。虽然密度测量结果并不高,但是稀土元素掺杂的KNN-LN的密度要比没有稀土元素掺杂的样品密度高,并且密度随着稀土元素掺杂量的增加而增加。值得注意的是,扫描电镜检测的结果发现稀土掺杂铌酸钠钾基陶瓷的晶粒尺寸,微观结构和微观形态也发生了变化。总体来说,稀土掺杂后的陶瓷样品的晶粒尺寸要比未施加掺杂的更加均匀和细小。经精密阻抗仪测得的居里温度和介电损耗角表明稀土元素掺杂在400oC以上可以使居里温度往高温迁移并使室温下介电损耗在一定程度上降低。压电系数d33和介电常数被稀土元素掺杂显著改变,这确定与MPB存在所引起的改变有关。2%Nd掺杂铌酸钠钾无铅压电陶瓷样品d33的最大值为128pC/N,常温下介电常数为694,相比之下,纯铌酸钠钾压电陶瓷的两项参数分别只有87pC/N和544.7。但是我们没有观察到发生在稀土掺杂铌酸钠钾陶瓷中有关居里温度的显著变化。这些结果可以表明稀土元素掺杂改变了铌酸钠钾基陶瓷MPB的产生区域和微观结构从而改变其介电和压电性能。


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