铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制备及掺杂改性研究

【摘要】：传统的铅基二元系及多元系陶瓷材料因含铅量高存在许多弊端，材料无铅化发展随着人们环保意识和社会可持续发展进程成为必然趋势。NaNbO_3和KNbO_3可以形成完全固溶体，结构仍为钙钛矿结构，即(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3（简写为KNN），它有介电常数小，压电性高，频率常数大，密度小等特点，被视作替代PZT基压电陶瓷的主要选择对象之一，其改性等研究工作受到人们的广泛关注。本论文主要从制备工艺和掺杂改性方面对KNN基陶瓷进行了研究，通过在不同晶格位置掺杂Li~+、Ta~(5+)，引入性能良好的0.90Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.10Bi0.5K0.5TiO_3（简写为BNT-BKT10），以及掺入金属氧化物MnO_2，研究了掺入元素、第二组元和金属氧化物对陶瓷结构、微观形貌和电学性能的影响。 采用溶胶凝胶法制备出一系列KNN基压电陶瓷粉体，在1020℃~1080℃无压烧结制备陶瓷，研究了粉体和陶瓷的制备工艺。结果表明KNN陶瓷粉体合成最优温度为600℃，陶瓷最佳烧结温度为1060℃，所得陶瓷样品结晶良好，随着烧结温度的升高材料趋于致密。 在Li~+和Ta~(5+)的掺杂范围内，陶瓷结构均为钙钛矿结构。且随着Li~+取代量的增加，陶瓷压电常数和介电常数增大。当Li~+含量为0.04mol时，压电常数和介电常数分别为84pC/N和357.45。随着Ta~(5+)的加入，压电常数和相对介电常数先增大后减小，当Ta~(5+)掺入量为0.1mol时，陶瓷处于三方和四方共存的准同型相界，性能最好，分别为93pC/N和388.29。 制备出性能良好的BNT-BKT10压电陶瓷粉体，将其作为第二组元加入到Li~+和Ta~(5+)取代改性后的KNN基陶瓷当中，结果表明，当BNT-BKT10掺入量为0.05时，陶瓷致密度压电介电性能都有所提升，分别为99pC/N和395.44。 实验中0.05molMnO_2能与基体完全固溶，陶瓷压电常数最好，为105pC/N；MnO_2的加入会降低陶瓷的相对介电常数，随着加入量的增加，相对介电常数下降加快。