0-3型KTN/P(VDF_TrFE)复合材料制备及性能研究

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本文采用高效的水热和溶剂热法合成了钽铌酸钾(KTN)纳米粉体,随后以四方铁电相含量高的KTN粉体为功能相,以P(VDF-TrFE)为基体,用涂覆法制备出高热释电性能的0-3型KTN/P(VDF-TrFE)复合材料,并对粉体和复合材料的制备工艺和性能进行了相应的研究。首先,我们采用湿化学方法(水热法和溶剂热法)制备了各组分精确,且具有良好均一性的纳米KTN粉体。研究了KOH的初始浓度、溶剂、反应温度、反应时间等因素对最终产物的影响,并对粉体进行结构和形貌分析。研究结果表明,KOH的浓度和溶剂是决定产物的关键因素,所制得的粉体具有结晶度高、分散性好、形状均一等特点。其次,复合前我们对KTN陶瓷粉体的结构缺陷与铁电相含量等进行了研究。FT-IR分析表明,KTN粉体的颗粒表面存在大量的OH-缺陷。缺陷的存在是粉体能在室温下以立方相存在的主要原因。对粉体进行热处理时,能去掉杂质、大部分的OH-缺陷,并使晶粒长大,进而使粉体结构逐步转变为四方钙钛矿结构。最后,我们利用涂覆法,并结合热压法,获得了KTN纳米晶粉粒度分布比较均匀、无大的团聚的0-3型KTN/P(VDF-TrFE)纳米复合材料,致密度达到95%,并得到了相应的工艺条件。完成了对复合材料样品的形态、微结构、铁电性和热释电性的表征。研究结果表明,我们得到KTN纳米晶粉分布比较均匀、无大的团聚、热释电系数高p~10-7C/cm2 K,相对介电常数低εr<200,热电优值高的复合材料。此外,作为我们工作的一个扩展,以K-Nb-H2O三元体系为研究系统,利用Lencka-Riman热力学模型,对水热法合成KNbO3粉体进行了理论设计,并依据该体系的稳定产出相图,得到了合成高纯度KNbO3纳米粉体的工艺条件(即反应温度、反应物浓度,溶液的pH值控制等)的重要信息。以此为依据,进行了一系列实验,实验结果与理论吻合相当好。
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