铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及改性

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压电陶瓷是一类极为重要的功能陶瓷,其应用已遍及人类日常生活及生产的方方面面。目前,在压电陶瓷的发展与应用过程中,Pb(Zr,Ti)O3陶瓷(PZT)一直占主导地位,但PZT陶瓷中的PbO含量高达60%以上,在烧结过程中PbO的挥发对环境造成严重污染,危害人类健康。随着人们环保意识的增强,目前,作为无铅压电材料的碱性铌酸盐备受压电研究领域的关注。本论文选取铌酸钾钠[Na0.5K0.5NbO3(KNN)]陶瓷体系,综合考虑KNN材料的居里温度,压电性能及其热稳定性,采用标准电子陶瓷制备工艺,制备了纯Na0.5K0.5NbO3、0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05AETiO3[KNN-AET]和1.0 wt.% Li2CO3掺杂的0.98(K0.5Na0.5)NbO3-0.02AETiO3[KNN-AET-Li]陶瓷(其中AE=Mg,Ca,Sr和Ba),研究了陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织、介电性能和压电性能。本文制备并探索了纯KNN陶瓷的烧结工艺和极化工艺,确定了其最佳烧结条件为:1120℃,保温5 h,升温速率为2.5℃/min;最佳极化条件为:120℃,3 kV/mm,极化时间为20min。为了降低陶瓷的正交-四方相变温度To-t,制备了高配比的0.95KNN-0.05AET陶瓷,研究了不同的AE离子对KNN陶瓷的烧结特性、相结构、显微组织、介电性能和压电性能的影响。在1130℃烧结5小时,KNN-CaT和KNN-SrT陶瓷获得较高的相对密度(>96%);XRD衍射谱显示,室温下,所有样品均为钙钛矿结构,其中,KNN、KNN-MgT陶瓷为正交相,KNN-CaT、KNN-SrT和KNN-BaT陶瓷为四方相;SEM显示,KNN-CaT、KNN-SrT陶瓷表面致密,气孔率低;KNN-CaT、KNN-SrT和KNN-BaT陶瓷的相变温度To-t移到了室温以下,居里温度Tc降到了400℃以下;室温下KNN-CaT、KNN-SrT陶瓷表现出了明显的“软”性陶瓷的电学性能,并获得了高的压电系数d33(170 pC/N和134 pC/N)与机电耦合系数kp(0.27和0.25)。为了将To-t降低到室温或室温以下,同时保持高的居里温度Tc,从而获得一种既具有良好的热稳定性又具有高居里温度(Tc≥400℃)的KNN基压电陶瓷,制备了KNN-AET-Li陶瓷,研究了Li+对低配比的0.98KNN-0.02AET陶瓷的烧结特性、组织结构和性能的影响。Li2CO3的掺杂明显地降低了KNN-AET-Li陶瓷的烧结温度;在1070℃烧结5小时,KNN-CaT-Li和KNN-SrT-Li陶瓷获得了较高的相对密度(>96%);XRD衍射谱显示,室温下,KNN-AET-Li陶瓷均为钙钛矿结构,KNN-CaT-Li和KNN-SrT-Li陶瓷在室温下为正交-四方共存相;SEM显示了KNN-CaT-Li和KNN-SrT-Li陶瓷表面致密、晶粒尺寸适中;KNN-CaT-Li和KNN-SrT-Li陶瓷保持了高居里温度(Tc≥400℃),同时,其相变温度To-t降至室温;室温下,KNN-CaT-Li陶瓷(d33=197 pC/N,kp=0.32)和KNN-SrT-Li陶瓷(d33=243 pC/N,kp=0.34)获得了良好的压电性能,而且,KNN-SrT-Li陶瓷的压电性能(kp,d33)在50-200℃温度范围内的变化率小于7.0%,材料表现出了良好的热稳定性,在高温压电驱动器方面具有实际应用价值。
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