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K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3基于铅压电陶瓷的制备与改性研究

刘益雄  
【摘要】:无铅压电材料由于具有环境友好特性,有望取代已被广泛使用的铅基压电材料,因而备受人们关注。在众多无铅压电材料当中,(KNN)基无铅压电陶瓷具有居里温度高、机电耦合系数大、压电常数大等优点,是目前研究最为广泛的、被认为是最有希望取代铅基压电陶瓷的候选材料之一。然而,相对于以Pb(Ti,Zr)O3为代表的铅基压电陶瓷,KNN基无铅压电陶瓷的压电性能相对较低。近年来,KNN基陶瓷的电学性能已有了显著提高,然而,如何进一步提高该类材料的压电性能尤其是机械品质因数,并改善材料性能的温度稳定性,成为此类材料当前亟待解决的问题。 本研究利用Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)、LiSbO3(LS)、NaTaO3(NT)、CuO等组分对KNN陶瓷进行改性,以液相包覆—热反应工艺制备成分、粒径均一的陶瓷粉体,采用固相烧结法制备(1-x)(0.96K0.5Na0.5NbO3-0.04LiSbO3)-xBi0.5Na0.5TiO3 (KNN-LS-BNTx,0≤x≤0.02)、(1-x)(0.99K0.5Na0.5NbO3-0.01Bi0.5Na0.5TiO3)-xLiSbO3 (KNN-BNT-LSx,0≤x≤0.10)、(1—x) (KNN-BNT-LS0.05)-xNaTaO3(KNN-BNT-LS-NTx,0≤x≤0.10)以及KNN-BNT-LS-NT-CuOx(0≤x≤2.0)系列压电陶瓷,通过对陶瓷样品进行X射线粉晶衍射分析(XRD)、扫描电镜表征(SEM)以及铁电、介电、压电等性能的检测,研究BNT、LS、NT以及CuO的掺入对KNN基压电陶瓷的晶体结构、微观形貌、铁电、介电、压电性能的影响规律,探讨化学成分、显微结构与性能之间相互作用的机理。 研究采用BNT、LS对KNN进行复合掺杂改性,分析探讨BNT、LS对KNN陶瓷的微观结构与介电、压电性能的影响。研究结果表明,BNT、LS的掺入明显改变了KNN陶瓷的晶体结构,促使陶瓷的居里温度Tc和斜方-四方相变温度TO-T往低温方向移动。在KNN-BNT-LSx体系陶瓷中,当LS的掺入量在3-4 mol%时,陶瓷在室温附近存在斜方一四方的多型相变(PPT);而当LS的掺入量大于6 mol%时,陶瓷中出现了次晶相K3Li2Nb5O15和LiSbO3。在室温附近具有PPT的陶瓷中,其压电性能达到最佳值,当BNT、LS的掺入量分别为0.96 mol%、4 mol%时,陶瓷的压电常数d33达最大值250 pC/N,此时陶瓷的相对自由介电常数εT/33/ε0为640,介电损耗tanδ为0.031,机电耦合系数kp、kt分别为0.294、0.352,而机械品质因数Qm较小,仅为33.3。 以KNN-BNT-LS陶瓷为基础,通过引入NT组分来提高陶瓷的机电耦合系数与陶瓷性能的温度稳定性,研究NT对陶瓷的晶体结构、微观形貌、铁电、介电、压电性能的影响。结果表明,NT的掺入减弱了KNN基陶瓷晶粒的四方相特征,晶胞参数c、c/a、晶胞体积等值逐渐降低。陶瓷晶粒随NT的掺入明显长大,晶粒堆积紧密,陶瓷的致密度明显提高。随着掺入量x的增大,KNN-BNT-LS-NTx陶瓷的Tc和TO-T往低温方向移动,陶瓷的剩余极化强度Pr明显降低,矫顽场Ec先增大后降低,铁电性能减弱,而陶瓷的介电、压电性能整体呈现先增大后降低的趋势。当NT的掺入量达到6 mol%时,陶瓷的TO-T被降低至室温以下,陶瓷的ε33/T/ε0增大到1604,kp、kt提高至0.442、0.426,此时陶瓷的d33、tanδ、Qm、Pr、Ec分别为249 pC/N、0.023、51、17.3μC/cm2、16.1 kV/cm。 以提高KNN基陶瓷的机械品质因数并改善陶瓷的综合电学性能为目的,选用CuO对KNN基陶瓷开展掺杂改性研究,研究CuO对陶瓷微观结构与电学性能的影响。结果表明,CuO的掺入逐渐减弱了KNN基陶瓷晶粒的四方相特征,促使陶瓷的相变温度TO-T往高温方向移动,出现四方相向斜方相的转变。在KNN-BNT-LS-NT-CuOx陶瓷中,当CuO的掺入量达到1.5 mol%时,陶瓷中出现了次晶相K4CuNb8023等物质。CuO的掺入促进了陶瓷晶粒的均匀细化,晶粒棱角逐渐消平,晶粒平均粒径减小。随着CuO掺入量的增大,陶瓷的Qm值显著增大,而陶瓷tanδ等值逐渐降低。当CuO的掺入量为1.5 mol%时,陶瓷的Qm达到166,tanδ降低至0.0135,此时陶瓷的d33、ε33T/εo、Κp、Κt、Pr、Ec分别为183 pC/N、1300、0.404、0.388、11.2μC/cm2、11.2kV/cm,陶瓷的综合电学性能得以改善。


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