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铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的掺杂改性研究

孟晗琪  
【摘要】:本项目受国家自然科学基金(项目编号:50735002)及江苏省高技术研究计划项目(项目编号:BG2006005)资助。 压电陶瓷作为一种机械能和电能相互耦合的材料,近几十年来广泛应用于家用电器、工业产品、航空航天等领域。当前,生产和生活中使用的压电材料主要以锆钛酸铅基压电陶瓷为主。但这一体系材料在制备过程中会产生严重的铅污染,而且相关器件报废后的处理过程中也会对环境带来不可恢复的危害。研究开发环境友好型无铅压电材料成为迫在眉睫的任务。铌酸钠钾基无铅压电陶瓷是目前研究较为广泛的无铅压电材料之一。与锆钛酸铅系压电陶瓷相比,铌酸钠钾基无铅压电陶瓷具有较高的居里点,但也存在介电常数和压电性能较低,烧结困难等不足。针对这些问题,本论文以铌酸钠钾基无铅压电陶瓷为研究对象,从成分设计、烧结工艺、掺杂改性等方面对材料的显微结构和电学性能的影响进行系统的研究。 采用普通固相法制备0.96(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3-0.04LiTaO_3压电陶瓷,研究了MgO的不同掺杂量对其烧结温度的影响。结果表明:掺入MgO能够使材料在较低的温度下完成致密化过程,并获得综合性能优异的压电陶瓷材料。当MgO含量为0.25 mass%时,材料的烧结温度可降低到1060°C,综合性能为d_(33) = 128 pC/N,k_p = 33.4%,Q_m = 149,ε_r = 611,tanδ= 2.84%。为进一步优化[(K_(0.48)Na_(0.535))_(0.94)Li_(0.06)]NbO_3的压电性能,对其掺杂Yb_2O_3进行改性。研究得出:稀土金属Yb~(3+)的掺入能够大幅度提高材料的烧结密度,改善材料的性能。但掺杂量过多时材料晶粒细化,性能反而下降。Yb_2O_3含量为1 mass%时,获得综合性能较好的压电陶瓷:ρ= 4.5484 g/cm~3,d_(33) = 156 pC/N,k_p = 37.69%,ε_r = 1051,tanδ= 3.8%。 以改善材料居里温度和O-T转变温度为目标,研究碱金属族元素Li~+、Rb~+和Cs~+的引入对(K_(0.5)Na_(0.5))Nb_(0.8)Ta_(0.2)O_3陶瓷材料使用温度范围的影响规律。结果表明,加入0.04 mol Li_2CO_3可以增强材料四方相的稳定性,提高材料的居里温度,同时O-T转变温度也降到室温附近,改善了陶瓷材料在室温下的性能:d_(33) = 185 pC/N,k_p = 44%,T_C = 335°C,T_(O-T) = 32°C,tanδ= 4.2%。


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