铌酸盐基无铅压电陶瓷的制备与研究

【摘要】： 压电陶瓷材料是用途最广泛的一类压电材料,然而现今绝大多数的压电、铁电材料仍是含铅的,在材料制备及在高温烧结过程中挥发出来的氧化铅,对环境造成了污染,对人类产生了巨大的危害。因此研究开发无铅压电陶瓷势在必行。而铌酸盐基无铅压电陶瓷由于其优异的性能,被认为是最有希望取代铅基压电陶瓷的新型材料。 本文首先采用混合碱法制备K_(0.5)Na_(0.5)NbO3纳米级粉体,并对其相结构、显微结构进行研究。在保温72小时的情况下,形成的K_(0.5)Na_(0.5)NbO3样品,其棒状晶粒尺寸均一,晶界清晰。 本文采用传统无铅压电陶瓷制备方法制备了0.98KNN-0.02BNT-xST和0.98KNN-0.02BNT-xBT体系无铅压电陶瓷。研究了不同掺杂量的SrTiO3和BaTiO3对KNN-BNT无铅压电陶瓷的相结构、显微结构、密度和电学性能的影响。实验表明1080℃条件下制备的两种压电陶瓷样品均没有形成完全的钙钛矿结构,且随着掺杂量的增加,样品逐渐由四方相向正交相转变。当BT掺杂量x=0.05时,KNN-BNT+xBT无铅压电陶瓷样品达到各项性能的最佳值, d33=157 pC/N,tanδ=0.044,εr=571,kp=0.34,Qm=92。 为了进一步改善无铅压电陶瓷的性能降低其烧结温度,我们采用金属氧化物共掺杂和单氧化物掺杂进行研究。首先研究了不同CuO和MnO2掺杂量对KNN-BNT-BT压电陶瓷各项性能影响。发现掺杂后的样品主晶相为正交相,且有杂质相出现,并且由于晶粒之间出现液相,密度有所降低。发现在CuO和MnO2的量分别为x=1.5 mol%,y=1 mol%附近时,材料得到最佳性能。同时研究了烧结温度对它的影响。实验发现,晶粒随着烧结温度的提高而逐渐增大。在烧结温度为1040℃的条件下,得到了综合性能较好的压电陶瓷样品,d33=162 pC/N,εr =595,tanδ= 0.036,kp=0.35,Qm=168。其次研究了不同ZnO掺杂量对KNN-BNT-BT压电陶瓷各项性能影响。实验发现,掺杂的无铅压电陶瓷样品的主晶相为四方钙钛矿相,样品的密度整体上小于未掺杂的陶瓷样品。当掺杂量在1mol%附近时,材料获得最佳综合性能。同时研究了烧结温度对它的影响,发现在烧结温度为1020℃条件下,样品晶粒发育良好,晶界清晰,此时制备的样品达到最大致密度。最佳反应条件下制备的样品的综合电性能为:d33=138 pC/N,εr =493,tanδ= 0.042,kp=0.32,Qm=159。