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铌酸钾钠(KNN)系被认为是最有潜力替代铅基陶瓷的无铅压电材料之一,其中(1-x)(0.95K0.5Na0.5NbO3-0.05LiSbO3)-xBiFeO3(简写为(1-x)(KNN-LS)-xBF)陶瓷表现较为突出。同时,已有研究表明CuO和V2O5能够有效降低陶瓷材料的烧结温度。本文用传统工艺制备了CuO和V2O5掺杂(1-x)(KNN-LS)-xBF新型三元体系无铅压电陶瓷,研究其物相、组织结构和综合性能,获得了最佳成分配比和工艺条件。主要内容如下: 在(1-x)(KNN-LS)-xBF+ymol%CuO陶瓷中,CuO在促进了陶瓷晶粒生长,同时也使陶瓷的压电常数d33略有下降,适量的CuO掺杂降低了样品的介电损耗tgδ,提高机械品质因数Qm。其原因为Cu2+进行B位取代Nb5+时产生的氧空位会对电畴转向产生“钉扎效应”,使得极化时,电畴翻转数目在其他条件相同的情况下减少,导致d33和kp的降低;并且增加畴壁运动的难度,使畴壁内部运动减少,从而能够减小内部损耗。同时,由于CuO熔点为1025℃,在1060℃时陶瓷体内产生液相,促进晶粒重排、接触和晶界迁移,使气体充分排出,使晶粒排列更加致密,故Qm得到了提高。在1060℃下,(1-x)(KNN-LS)-xBF+ymol%CuO陶瓷在x=0.004,y=0.3附近获得最佳性能,其性能参数为:d33=216pC/N,kp=0.27,εr=1028.45,tgδ=2.143%,Qm=92.34。 在0.996(KNN-LS)-0.004BF+ymol%V2O5陶瓷中,V2O5的掺杂降低了陶瓷样品的烧结温度,同时,V2 O5含量的增加也导致了晶粒的细化。V2 O5的掺杂虽然使得陶瓷样品的压电常数d33有所降低,但是介电损耗tgδ却在y=0.3时得到了明显改善并达到最低值tgδ=0.71%,机械品质因数Qm则在y=0.45时得到明显提高。当y=0.3时,0.996(KNN-LS)-0.004BF+ymol%V2O5陶瓷在1060℃下获得最佳综合性能,其性能参数为:d33=183pC/N,kp=0.25,εr=638.83,tgδ=0.7%,Qm=53.87。 烧结温度和保温时间不会改变0.996(KNN-LS)-0.004BF+ymol%(CuO、V2O5)陶瓷的物相结构。烧结温度的升高有利于陶瓷晶体物相结构的稳定,但是过高的烧结温度会使陶瓷晶粒向畸形化生长。掺CuO的陶瓷样品在1060℃,保温时间为4h时获得最佳综合性能。 0.996(KNN-LS)-0.004BF+ymol%V2O5陶瓷样品在不同的掺杂量下,最佳烧结温度和保温时间也不同:⑴y=0.3时,1060℃下最佳保温时间为4h,性能参数为:d33=183pC/N,kp=0.25,εr=638.83,tgδ=0.7%,Qm=53.87;⑵y=0.6时,1060℃下最佳保温时间为6h,性能参数为:d33=176pC/N,kp=0.2,εr=479.04,tgδ=8.4%,Qm=54.13;⑶y=0.6,4h保温时间下最佳烧结温度为1080℃,性能参数为:d33=159pC/N,kp=0.23,εr=577.02,tgδ=5%,Qm=58.95。