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铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其在滤波器上的应用研究

余祖灯  
【摘要】: 本论文采用传统固相法制备了(K0.5Na0.5)NbO3基(简称KNN基)无铅压电陶瓷,系统地研究了其物相组成、显微结构、压电、介电及铁电性能。并利用研制的(1-x)Li0.04Na0.52K0.44Nb0.86Ta0.10Sb0.04O3(LF4)-xK4CuNb8O23(KCN)材料制成了单节、多节中频梯型带通无铅压电陶瓷滤波器。 首先,采用固相法制备了(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBiFeO3[(1-x)KNN-xBF]无铅压电陶瓷,研究了不同BF含量(x=0, 0.00175, 0.005, 0.01, 0.02, 0.03)样品的物相组成、显微结构及电性能。结果表明:当x≤0.03时,得到了纯钙钛矿结构的(1-x)KNN-xBF陶瓷。与纯KNN相比,在0x≤0.01时,(1-x)KNN-xBF样品的密度(ρ)、压电常数(d33)、平面机电耦合系数(kp)和机械品质因子(Qm)都显著增大;当0.01x≤0.03时,ρ,d33,kp和Qm又迅速降低;在x=0.01时达到最大值。当x=0.01时,(1-x)KNN-xBF材料的综合性能最好,其中ρ=4.42g/cm3,d33=172pC/N,kp=0.45,介电损耗tanδ=0.021,相对介电常数εr=759和Qm=138;同时表现出较好的抗老化性能。 其次,研究了K0.5Na0.5NbO3-Li0.5Bi0.5TiO3[(1-x)KNN-xLBT]二元系无铅压电陶瓷的显微结构和电性能。发现室温时,x在0.01~0.02附近出现正交相与四方相的共存区—准同型相界(MPB)。样品在MPB附近(x=0.02)表现出优异的电性能:d33=172pC/N,kp=0.37,εr=1479,tanδ=0.015,Tc=381℃,且机械品质因子仍相对较高(Qm=102),表明LBT起到“硬性”掺杂作用。适量引入LBT能显著提高样品的相对密度,当x=0.02时达到最大值96.4%。此外,本文还研究了高压电性能的(1-x)KNN-xLBT陶瓷的阻抗特性,得出当LBT掺杂量为0.02时,KNN基陶瓷更易极化,从而明显改善陶瓷的电性能。研究结果表明x=0.02的样品是一种优异的无铅压电候选材料。再次,利用传统固相法研究了无铅压电陶瓷(1-x)Li0.04Na0.52K0.44Nb0.86 Ta0.10Sb0.04O3-xBiFeO3 (LF4-BF)的压电、介电和铁电性能。引入BF后,样品全为纯钙钛矿相结构,样品的相对密度也比纯LF4的大,尤其是BF的加入使LF4陶瓷材料的机械品质因子Qm从56提高到149,表现出硬性掺杂作用。与此同时,材料的d33和kp都增大而不是急剧减小。本文研究得到了高密度、最佳电性能的0.9975LF4-0.0025BF陶瓷样品:相对密度ρ=95.9% , tanδ=0.0215 , d33=276pC/N , kp=0.36 , Qm=149和εr=1937。结果表明:0.9975LF4-0.0025BF样品是较好的无铅压电陶瓷候选材料。 最后,通过对(1-x)Li0.04Na0.52K0.44Nb0.86Ta0.10Sb0.04O3(LF4)-xK4CuNb8O23 (KCN)压电陶瓷的研究,得出0.992LF4-0.008KCN陶瓷的性能最佳:d33=176pC/N,kp=0.39,Qm=370,εr=450,tanδ=0.02,ρ=4.46g/cm3。并利用该材料研制出单节、多节中频梯型带通无铅压电陶瓷滤波器。采用厚度振动模式,制作出中心频率为462kHz,带宽大于10kHz,插入损耗为7dB,阻带衰耗大于37dB的中频无铅压电陶瓷滤波器。器件性能接近于同类含铅陶瓷中频滤波器(SFH系列)。


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