【摘 要】
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随着社会的不断发展,压电材料的无铅化和多功能化逐渐成为时代的潮流。铌酸钾钠(K1-xNaxNbO3,简称KNN)陶瓷作为一种功能陶瓷材料,因压电性能优异,居里温度高和机电耦合系数高等优点而受到了广泛关注。近年来,研究者通过掺杂改性的方法,制备了一系列高压电活性的KNN基陶瓷、光电多功能KNN基陶瓷或KNN基储能陶瓷等。本文采用传统固相反应法,利用不同离子掺杂制备了一系列KNN基陶瓷,并对掺杂后陶瓷
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随着社会的不断发展,压电材料的无铅化和多功能化逐渐成为时代的潮流。铌酸钾钠(K1-xNaxNbO3,简称KNN)陶瓷作为一种功能陶瓷材料,因压电性能优异,居里温度高和机电耦合系数高等优点而受到了广泛关注。近年来,研究者通过掺杂改性的方法,制备了一系列高压电活性的KNN基陶瓷、光电多功能KNN基陶瓷或KNN基储能陶瓷等。本文采用传统固相反应法,利用不同离子掺杂制备了一系列KNN基陶瓷,并对掺杂后陶瓷的晶体结构,微观结构以及光、电性能进行了分析。主要研究内容如下:1.采用传统固相反应的方法制备了Pr、Sm掺杂KNN陶瓷样品。结果表明,所有陶瓷均具有单一钙钛矿结构,室温下相结构由正交相转变为伪立方相。稀土元素掺杂后,晶粒生长受到抑制,晶粒尺寸明显减小。稀土离子进入KNN晶格后占据A位点,产生新的A位点空位,表现出“软”掺杂特性,使室温下的介电常数增大。通过对光谱图的分析,得知在波长为463 nm的光源激发下,Pr、Sm共掺的KNN陶瓷呈现出橙色发射。2.采用传统固相反应的方法制备了Sr2MnSbO6（SMS）掺杂的KNN陶瓷样品。结果表明,掺杂SMS后固溶良好,没有杂质峰的出现,形成了单一的钙钛矿结构。1mol%的SMS的掺入可以有效提高KNN陶瓷的致密度,从而改善压电性能。较高的掺杂量会减小晶粒尺寸,降低电学性能。SMS含量为x=2的样品表现出弥散相变行为。此外,掺杂1 mol%SMS后,在30-160℃的温度范围内,单向应变和剩余极化的变化小于未掺杂的KNN陶瓷。因此,可以看出掺杂SMS是提高KNN压电材料温度稳定性和电学性能的有效途径。3.采用传统固相反应的方法制备了（0.9985-x）(K0.49Na0.49Li0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3-0.0015Ho2O3-xmol%CaZrO3（KNLNT-Ho-x CZ）陶瓷。结果表明,所有陶瓷样品均为单一钙钛矿结构,没有可见的杂质相。随着CaZrO3含量不断增加,晶粒尺寸呈减小趋势。在波长为453 nm的光源激发下,可观察到强烈的绿色发射（～551 nm）。此外,Rayleigh分析表明,掺杂CaZrO3降低了晶粒尺寸,使得畴壁移动和畴反转困难,从而削弱了陶瓷的非本征贡献。4.采用传统固相反应的方法制备了0.96(K0.48Na0.52)(Nb0.97Ta0.03)O3-（0.04-x）Bi(Zn0.5Ti0.5)-x Nd2O3（KNNT-BZT-x Nd）陶瓷。结果表明,室温下均是伪立方结构。Nd的掺入使陶瓷产生类弛豫行为,并且随着掺杂量的增加,晶粒尺寸逐渐减小。通过陶瓷电滞回线（P-E）分析得到,当x=0.002时,在场强为160 kV/cm时获得较为优异的储能性能:有效储能密度Wrec=1.09 J/cm3,储能效率η=51%。通过充放电性能测试,KNNT-BZT-0.002Nd陶瓷有较高的放电能量密度Wd=0.79 J/cm3和较快的充放电时间t0.9=54 ns。
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