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织构型KNN基无铅压电陶瓷的流延成型工艺和性能研究

李伦  
【摘要】:对于压电陶瓷材料,目前世界上广泛应用的是传统的PbZrTiO3体系。这类材料具有非常好的压电性能,然而含有毒性物质PbO,且比例高达70%,因此开发出新型的无铅压电陶瓷以取代PZT基压电材料是当今世界该领域的重要课题。 (K0.5Na0.5)NbO3基压电陶瓷由于具有高的居里温度,较好的压电性能,优越的环境协调性近年来作为电光材料受到重视。然而该体系陶瓷难于烧结致密,极大地限制了其电学性能。本文结合A、B位取代掺杂、添加助烧剂、织构化处理等措施试图改善KNN基压电陶瓷的电学性能。 本文首先对流延成型工艺参数进行了探索。通过流延成型工艺,实现了以模板晶粒生长(TGG)技术制备KNN基织构型陶瓷。由正交试验确定了有机溶剂、分散剂、塑性剂、粘结剂的配比组成,得到了悬浮均质、分散充分、粘度适中的浆料,并得到了强度韧性好,易于加工和储存的流延成膜。并通过实验对比了流延机不同刮刀高度和流延速度对陶瓷的织构度的影响,最后确定了所使用流延机的最佳刮刀高度为150μm,最佳流延速度为1.0cm/s。 接着用TGG技术制备了织构型KNN-0.015BiScO3陶瓷,并主要研究了模板含量对其结构和电性能的影响。相比随机取向型陶瓷,织构型不仅没有降低KNN-0.015BS陶瓷的居里温度,而且很大程度上提高了工作温区的介电稳定性:经计算在100-300℃温度范围内,随机取向型陶瓷的介电常数-温度变化率较大,在20%以上;而对于不同模板含量的织构型陶瓷,介温变化率均控制在7%以下。另外铁电性能和压电性能均有大幅提高,尤其在模板含量为10%时,Pr提高到了34.1μC/cm2, d33达到202pC/N,kp=0.38。 最后还研究了不同含量Fe2O3对KNN-0.015BS陶瓷结构和性能的影响。Fe2O3起了助烧剂的作用,有效降低了KNN-0.015BS陶瓷的烧结温度(本实验中降低了约40℃)。通过添加Fe2O3,还提高了材料的密度,在Fe2O3含量为1%mol时密度达到最大值4.659g/cm3。


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