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铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制备与性能研究

杨鹏远  
【摘要】:钙钛矿结构的(K, Na)NbO3基无铅压电陶瓷被认为是最有应用前景的无铅压电材料之一。本论文以KNN系统为研究对象,在陶瓷的制备工艺和掺杂改性方面进行了有益的探索尝试。 采用三种不同的烧结方式制备了Li+、Ta5+共同掺杂的KNN基无铅压电陶瓷,研究了Li+含量变化对陶瓷结构和压电性能的影响。研究结果表明,本实验采用的改进法烧结通过高温(1040℃)退火减少了陶瓷内部的氧空位,可以使陶瓷的均匀性和致密性得到很大的改善,有利于提高压电陶瓷的压电性能。增加Li+的含量使体系结构由正交相向四方相转变。当Li+掺杂量小于3mol%时,体系依然保持正交相,掺杂量在4~5mol%时为正交-四方两相共存,当Li+含量大于6mol%时体系转变为室温下的四方相。通过对不同极化方式的研究表明,利用高温保压冷却的极化方式可以大幅度提高陶瓷的压电常数。制备工艺优化后的[(K0.48Na0.52)0.96Li0.04](Nb0.85Ta0.15)O3无铅压电陶瓷的压电常数d33达到了最大值,为238.9pC/N。 研究了Bi(Mg0.5Ti0.5)O3(BMT)掺杂对KNN基无铅压电陶瓷的影响。结果表明,在KNN基中掺杂钙钛矿结构的BMT可以使晶粒出现明显细化,居里温度得到提高。体系的相结构随着BMT掺杂量的增加向伪立方相转变,导致其压电常数大幅下降。 构建了T相KNN基无铅压电陶瓷与R相BiScO3(BS)两相共存下的准同型相界(MPB)。结果表明,BiScO3的引入能够明显使陶瓷的晶粒尺寸变小,随着BS掺杂量的增加,体系的相结构由四方相向伪立方相转变,并在掺杂量为1mol%~2mol%的范围内得到了R-T共存的准同型相界。但是和含铅体系的MPB不一样的是,该体系没有发现压电性能得到改善。 研究了正交相0.82(K0.5Na0.5)NbO3-0.18AgNbO3无铅压电陶瓷的极化工艺,得出了最合适的极化条件为:极化温度120℃,极化电压30kV/cm,极化时间30min。利用X射线衍射定性分析了外加场强与电畴转向的关系,为进一步定量分析打下了基础。


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