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铌酸钾钠基陶瓷的压电性和温度稳定性的研究

高勇  
【摘要】:压电材料是可实现机械能与电能之问相互转换的一类重要功能材料,用于制造传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、滤波器等各种电子元件和器件,在国民经济、科学技术、现代国防等各个领域有着广泛的应用。其中,锆钛酸铅基压电陶瓷(简称PZT陶瓷)由于具有优异的压电性能和组分可调整性的特点,数十年来一直占据着压电材料的主要市场。但近年各国相继出台了各种法规法令,PZT陶瓷因其组分中含有大量的铅元素而被列为今后应受到限制使用的一类物质。因此,发展无铅压电陶瓷是一项具有重要现实意义的课题。 在研发取代PZT陶瓷的无铅压电材料方面,多年来国内外研究者付出了巨大努力。2004年,日本丰田研发中心的Y. Saito等人在Nature上报道了铌酸钾钠基陶瓷(简称为KNN基陶瓷)是一类很有发展潜力的无铅压电材料的研究结果。他们利用通常生产电子陶瓷材料的制备方法所得到的组分为(K0.50Na0.50)0.97Li0.03(Nb0.80Ta0.20)O3和(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3的陶瓷的d33值分别为230pC/N和300pC/N,而使用反应模板晶粒生长(RTGG)特殊工艺方法所制备的、具有相同组分但晶粒取向的织构化陶瓷的d33值则分别达到了373pC/N和416pC/N。该报道在世界各地掀起了关于KNN基无铅压电陶瓷材料的研究热潮。 人们近年通过大量研究发现,掺杂少量的LiNbO3、LiTaO3、LiSbO3、BaTiO3、(Bi0.5Na0.5)TiO3等物质可以与(K,Na)NbO3形成固溶体、能够大幅度地提高室温压电性能。然而,随着研究的深入,还逐渐意识到许多KNN基压电陶瓷所呈现出的良好压电性能应该与由于掺杂而导致的正交-四方结构相变温度T。-T至室温附近的现象有着密切的关系。与此相关,目前所得到的室温下具有良好压电性能的KNN基陶瓷通常呈现出比较大的温度依存性或比较差的抗热老化性。另一方面,迄今为止,上述提到的数年前文献报道的取向织构(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3陶瓷所具有的416pC/N仍然是在KNN基陶瓷中所能获得的d33最高值,而利用通常的固相反应途径难以制备出具有同等压电性能的KNN基陶瓷。因此,如何制备出具有更强压电活性和更好的温度稳定性的KNN基陶瓷材料是无铅压电材料研究领域的一个热点问题和重要的发展方向。 在上述的研究背景下,本论文开展了关于KNN基无铅压电陶瓷的温度稳定性和提高压电性能的研究探讨。具体研究内容如下: 一、开展了关于KNN基陶瓷的温度稳定性的研究,发现了“KNN基陶瓷在正交晶相中呈现非常优异的温度稳定性”的物理现象。本论文以(K0.48Na0.52)NbO3陶瓷和(K0.50Na0.50)0.98Li0.02Nb0.82Ta0.18O3陶瓷(分别简写为KNN和KNLNT)为代表组分,详细地阐述了这一物理现象。对于KNN陶瓷而言,其压电性能在实验测试下限温度(-150℃)至接近于正交-四方结构相变点的温度185℃的约335°C温度范围内几乎没有任何变化。对于正交-四方结构相变温度为98℃的KNLNT陶瓷,其压电性能在正交晶相中所实验测试的、约230℃的温度范围内也非常的稳定,但是在高温的四方晶相中却呈现出非常明显的降低。另外,对KNN陶瓷和KNLNT陶瓷的热老化性能的研究发现,KNN陶瓷和KNLNT陶瓷的压电性能在正交晶相的温度范围内都很稳定,但在其四方相温度范围内随着热老化温度的升高呈现降低的现象。 二、开展了关于(KxNa1-x)0.98Li0.02(Nb0.82-yTa0.18Sby)O3陶瓷的制备和压电物性的研究,考察了一些KNN基陶瓷的压电性能随温度的变化。本论文通过固相反应途径进行普通烧结制备出了(KxNa1-x)0.98Li0.02(Nb0.82-yTa0.18Sby)O3陶瓷(x=0.50,y=0.00-0.07或x=0.40-0.60,y=0.05),对其微观结构、晶体结构、介电和压电性能开展系统的研究。组分为x=0.45、y,=0.05的(KxNa1-x)0.98Li0.02(Nb0.82-yTa0.18Sby)O3陶瓷呈现出d33=413pC/N、kp0.50、kt=0.41、k33=0.62的最佳压电性能。我们推测,该陶瓷的这种优异的压电性能应该是几种有利因素共同作用的结果。首先,Sb元素对Nb元素的替代掺杂起着非常重要的作用。掺杂Sb元素使正交-四方结构相变点温度咒-T降至到了室温附近。其次,Sb元素拥有比Nb、Ta元素更高的电负性。另外,该陶瓷所具有的规则的晶粒形貌、均匀的晶粒尺寸分布和比较高的相对密度等微观组织结构对于获得优异的压电性能也是一个非常有利的因素。通过对(K0.50Na0.50)NbO3、(K0.50Na0.50)0.94Li0.06NbO3、(K0.50Na0.50)0.94Li0.04Ta0.15NbO3和(K0.50Na0.50)0.98Li0.02Nb0.795Ta0.18Sb0.025O3陶瓷的压电参数函1随温度变化的测试结果的比较,实验上直接证实了“正交-四方结构相变点向室温附近的下降移动是室温下所观察到的许多KNN基陶瓷呈现优异压电性能的原因”和“Sb元素对Nb元素的替代掺杂是一种提高KNN基陶瓷的压电性能的非常有效的手段”的推测。 三、考察了组分分别为x=0.03、0.065和0.08的(K0.50Na0.50)1-xLixNbO3陶瓷的压电性能和电畴结构的的经时稳定性,发现晶相对其有着很大的影响。这三种组分的(K0.50Na0.50)1-xLixNbO3陶瓷在室温下分别处于正交相、正交-四方两相共存状态和四方相,因而其压电性能呈现出了不同的经时稳定性。在经时老化的试验中,室温下处于正交相、组分为x=0.03的陶瓷的压电性能具有非常良好的经时稳定性,而室温下处于正交-四方两相共存状态、组分为x=0.065的陶瓷的压电性能则呈现出很大的经时老化变化。通过对经时老化处理前后的极化陶瓷样品的电畴图案的观察比较,发现(K0.50Na0.50)1-xLixNbO3陶瓷的时间老化性能的不稳定性和微观组织结构的晶粒的电畴结构中重新形成180°电畴有着密切的关系。在经时老化试验中,组分为x=0.03的陶瓷的电畴结构的变化非常小,而组分为x=0.065的陶瓷的电畴结构则呈现出非常大的变化。 四、研究了(K0.50Na0.50)0.94Li0.06NbO3陶瓷和(K0.50Na0.50)0.96Li0.04Nb0.85Ta0.15O3陶瓷的压电性能和电畴结构的热老化稳定性。尽管这两种陶瓷在室温下均处在正交-四方两相共存的状态,但在热老化试验中呈现出的热老化稳定性有所不同。(K0.50Na0.50)0.96Li0.04Nb0.85Ta0.15O3陶瓷与(K0.50Na0.50)0.94Li0.06NbO3陶瓷相比,有更好的热老化稳定性,在测试温度从-50°C至接近居里温度TC的很广温区内的热老化测试实验中其压电性能几乎没有变化。利用表面抛光、腐蚀后进行显微观察的方法,论文研究了未极化、极化和实施热老化处理的陶瓷样品的电畴结构的变化,发现这两种陶瓷的热老化性能的不稳定性也与180°电畴的重新形成有着密切的关系。 五、考察了制备工艺对KNN基无铅压电陶瓷的诸种物性的影响。利用两步烧结工艺制备了(K0.50Na0.50)NbO3陶瓷、(K0.45Na0.55)0.98Li0.02Nb0.77Ta0.18Sb0.05O3陶瓷和(K0.50Na0.50)0.98Li0.02Nb0.795Ta0.18Sb0.025O3陶瓷。发现相对密度的提高可以明显改善KNN基陶瓷的压电性能。对于(K0.50Na0.50)NbO3陶瓷和(K0.45Na0.55)0.98Li0.02Nb0.77Ta0.18Sb0.05O3陶瓷,它们的相对密度分别由普通烧结时的94.9%和95.8%提高到97.1%和98.2%,导致这两种陶瓷的d33值分别由125pC/N和413pC/N提高到143pC/N和436pC/N。至于(K0.50Na0.50)0.98Li0.02Nb0.795Ta0.18Sb0.025O3陶瓷,其d33值由308pC/N提高到353pC/N、且kp值在-50℃到85℃的温度范围内具有良好的温度稳定性。


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