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铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及其电学性能研究

黎露  
【摘要】:压电陶瓷材料是一种实现电能和机械能相互转换的功能材料,具有广泛的应用。由于传统的铅基压电陶瓷含有有毒金属元素Pb而难以满足环保的要求。因此,积极寻找可用来替代铅基材料的无铅压电陶瓷材料成为当务之急。本论文从无铅环保的角度出发,分别采用溶剂热合成法和传统固相反应法制备了钽(或锑)掺杂的铌酸钾钠(Na0.5K0.5NbO_3,简称KNN)无铅压电材料,并对其物相结构、表面形貌和电学性能进行了详细研究。主要研究内容如下: 第一部分首先研究了钽(Ta)掺杂的KNN陶瓷粉体(K_(0.5)Na_(0.5))(Nb_(1-x)Ta_x)O_3 (简称KNNTx (x = 0~0.4))在水热以及水/异丙醇混合溶剂热条件下的制备。XRD和SEM的分析结果表明:用混合溶剂热法在180 oC下就能获得具有钙钛矿结构、形貌规则且晶粒细小的KNNTx陶瓷粉体,而水热条件在此温度下却不能合成具有单一钙钛矿相的KNNTx粉体。其次,粉体通过普通烧结转变成相应陶瓷。陶瓷的最佳烧结温度随Ta掺杂量的增加而逐渐上升,最佳的升温速率和保温时间分别为5 oC/min和4 h。再次,研究发现烧结温度和极化条件对KNNTx陶瓷的压电性能有很大的影响。KNNT0.3陶瓷具有最大的压电常数值(d33 = 156 pC/N)。最后,相较于传统固相反应法,溶剂热法能明显降低KNNTx陶瓷的烧结温度,且在一定程度上提高陶瓷的压电性能。 第二部分研究了锑(Sb)掺杂KNN粉体(K_(0.5)Na_(0.5))(Nb_(1-y)Sb_y)O_3 (简称KNNSy (y = 0.02~0.10))的制备及相应陶瓷的烧结工艺和压电性能。XRD和SEM的分析结果表明:在水/异丙醇混合溶剂热下,Sb掺杂的KNN粉体在220 oC能被成功合成。陶瓷的最佳烧结温度随Sb掺杂量的增加同样会逐渐提高,而且烧结温度和保温时间对陶瓷的微观结构有显著影响。通过对影响KNNSy陶瓷压电性因素的分析发现,选择最佳的烧结条件或者选择位于正交-四方多态相转变温度区间附近的极化温度都会获得增强的压电性能。KNNS0.06陶瓷具有最大的压电常数值(d33 = 134 pC/N)。研究还发现KNNSy陶瓷存放过长时间以后,压电性能会降低,即出现“老化”现象,导致陶瓷压电性能的不稳定。 本论文研究表明水/异丙醇混合溶剂热法是一种能在较低反应温度下制备KNN基压电材料的新合成法。掺杂(Ta或Sb)会显著提高KNN陶瓷的压电性能。烧结条件和极化条件对陶瓷的压电性能影响明显。因此,为了获得优异压电性能的陶瓷材料,以上影响因素需要被综合考虑。


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