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高Q_m铌酸钾钠基压电陶瓷物理性能的研究

徐金朋  
【摘要】: 压电材料是一类实现机械能和电能相互转换的重要功能材料,被广泛的应用于谐振器、滤波器、压电变压器、传感器、超声换能器等功能器件中。锆钛酸铅基压电陶瓷材料(简称PZT陶瓷)凭借其优异的压电性能、简单的制备工艺、低廉的成本造价,数十年来一直占据着压电材料的主导地位。然而PZT陶瓷中的含铅量高达60%以上,在烧结过程、使用和废弃过程中会产生重金属污染,危害人类的健康。前几年,欧盟颁布了WEEE/RoHS/ELV法案,在世界范围内引发了一场电子产品的无铅化革命。因此,探索压电陶瓷的无铅化和环境协调性、寻找PZT陶瓷的替代材料成为一项紧迫任务,具有重大的现实意义。 碱金属铌酸盐(KNN陶瓷)压电陶瓷具有铁电性强、压电性能高和居里温度高等优点,是最有希望替代PZT压电陶瓷的一类无铅压电陶瓷材料。但是目前文献报道的KNN系无铅压电陶瓷多数属于“软”性压电陶瓷,而且一般应用在高频器件、滤波器、致动器上的压电陶瓷应该是“硬”性压电陶瓷,不单要具有一定的压电常数d33和较高的机电耦合系数kp,还要具有较高的机械品质因数,较低的介电损耗。目前单纯的KNN基无铅压电陶瓷无法同时满足这些要求,因此本论文以高Qm,低损耗的KNN基压电陶瓷掺杂改性为主要内容,系统地研究了其微观形貌、结晶结构、介电和压电等方面的物理性质,并简单的解释了其物理机制。 本论文开始通过传统的固相反应制备了KNN-KCT体系无铅压电陶瓷。首先以固定的组分KCT(0.5mol%)来掺杂,通过改变钾钠比例来研究其压电介电性能,得到了最佳的钾钠比例为0.5,其各项性能为:相对密度为98.5%,Qm值可达1980,介电损耗为0.3%,d33为95,kp为40%。其次,在钾钠比例为0.5的基础上,改变KCT的掺杂量来研究KNN-KCT体系陶瓷材料的微观结构、介电性能、压电性能。发现最佳的掺杂量为0.75mol%,样品的各项性能为:Qm为2350,损耗为0.4%,d33、kp分别为95pC/N和0.40。这种结果的原因应该是cu2+离子对KNN的B位Nb5+离子的取代,致使材料内部为了维系晶格结构的电学平衡产生氧空位,此时取代Nb5+位置的Cu2+与氧空位形成一种缺陷偶极子,从而抑制了KNN晶格内部的极化偏转,使材料性能向硬性发展。 本论文进一步通过固相反应制备了KNN-0.75mol%KCT-xmol%Bi2O3陶瓷,系统地研究了Bi2O3对KNN-0.75mol%KCT陶瓷物理性能的影响。在x=0.1到0.5范围内,随着掺杂量的增加,陶瓷的d33和kp显著地提高。此种现象的原因应该有两个可能:一是掺杂致使陶瓷致密化,提高了陶瓷的烧结特性;另一个是Bi3+离子对K+、Na+的取代,使陶瓷中产成了A位空位,而A位空位能够释放非180°电畴重新取向带来的应力,在极化过程中使非180°电畴能够更容易、更充分的完成偏转,从而提高陶瓷的压电性能。而陶瓷Qm随着Bi2O3的掺杂,并没有出现“硬化”现象。掺杂Bi203后,样品的损耗有所升高,由原来的0.5%左右增加到2%左右,而Qm大幅度的下降,由原来的2000以上下降到了231。 通过对碱金属铌酸盐压电陶瓷改性的系统研究,发现了影响机械品质因子Qm、损耗等的基本规律,得到了最佳掺杂量和工艺条件,为KNN基无铅压电陶瓷的研制与开发应用提供了可靠的实验和理论依据。


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