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A位非化学计量比对铌酸钠钾基压电陶瓷结构和性能影响

万冰冰  
【摘要】: 本文介绍了当前铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的发展近况,并从钠、钾元素过量及A位的非化学计量两个方面研究了K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3(KNN)无铅压电陶瓷材料的结构及性能。与其他无铅压电陶瓷体系相比,铌酸钠钾基无铅压电陶瓷有着优异的性能,使之成为取代P(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_3(PZT)的有力候选者。但钠、钾碱金属元素的高温挥发性给其带来了合成工艺上的难以致密化,结构上缺陷增多等问题。因此挥发导致的化学计量比偏移会带来诸多结构,性能上的改变。这也成为科研界一直致力解决的问题。本文采用传统球磨的工艺方法在室温的条件下合成了0.94K_(0.5) Na_(0.5)NbO_3-0.06LiNbO_3粉体。讨论了钾元素的过量添加,钠元素的过量添加以及不同烧结温度对KNN6L陶瓷性能和结构的影响。结果表明通过钠、钾元素的补偿添加可以提高陶瓷的致密度,增强压电性能。通过XRD结果显示,钠、钾元素补偿会改变原有准同型相边界(MPB),使之又重新形成单相。不同的是,钾元素的过量添加会导致重新形成MPB,而钠元素的过量添加只形成了四方单相。通过对比结果知,添加钠元素补偿效果优于钾元素的补偿。钾元素添加量达到2.0mol%时,出现大量的二次相,使密度严重降低。 A位阳离子的化学计量比对KNN的结构和性能有着重要的影响。通过研究A为阳离子K、钠、锂三种离子在晶格中的不同作用,以及液相形成的机理讨论。对KNN6L材料的各种相结构,缺陷类型以及性能更加了解。通过XRD分析发现,当A位添加量达到_(0.5)mol%,出现了四方的单相KNN结构。当A位添加量达到1.0mol%时,出现了斜方相的单相结构。因此通过改变A位阳离子的计量比成功改变了KNN-Li的MPB区间。晶面间距会随着空位的减少,A位阳离子的不断补偿而变大,相反也会随着A位阳离子的缺失,使得氧空位增多造成晶格收缩。通过对KNN6L基介电常数随温度变化测量发现,Tc没有明显的变化,但也会随A位阳离子的不断补偿向高温方向移动,相反随A位阳离子的缺失向低温方向移动。这与文献报道的情况略有差别。而压电性能测试的结果显示MPB区间和二次相都对压电性能有重大影响。


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