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压电陶瓷材料是一种功能材料,具有广泛应用。近年来,无铅压电材料研发备受关注。钙钛矿结构的(Ka5Na0.5)NbO3(简记为KNN)基压电陶瓷,具有较高的居里温度和良好压电性能,是有望取代含铅体系陶瓷的无铅压电陶瓷之一。然而KNN基陶瓷烧结特性差,烧结过程中存在碱金属元素的大量挥发,常规烧结方法很难制备性能良好的致密陶瓷。本文分别采用低氧分压烧结法、真空热压烧结法和放电等离子烧结法制备了 KNN基陶瓷,系统地研究了陶瓷样品的结构、介电、铁电及压电性能。另外,研究了 KNN陶瓷电学性能随晶粒尺寸的变化。采用传统固相烧结法制备了 Ba(Ti0.99Fe0.01)O3-δ陶瓷,研究了陶瓷样品的结构、介电和高温传导性能。结果如下:(1)采用低氧分压烧结法制备了(K0.5Na0.5)Nb03陶瓷,陶瓷烧结氧分压为10-6 atm。在950-1125℃,陶瓷样品具有较高的相对密度(>94%)的和较低的质量损失(<0.6%)。选取1075℃烧结的陶瓷样品研究其晶体结构、微观形貌和电学性能。从XRD图谱中没有观察到第二相,表明陶瓷具有纯钙钛矿结构。陶瓷样品的平均晶粒尺寸为1.2 μm。陶瓷室温介电常数εr=366和介电损耗tanδ=0.04,介温谱曲线上有两个介电异常峰对应正交相转变为四方相(To-T=195℃)和四方相转变为立方相(Tc=406℃)。压电常数d33、逆压电常数d33*、平面机电耦合系数kp和机械品质因数Qm分别为112 pC/N,119 pm/V,0.29和143。70 kV/cm测试电压下,剩余极化强度Pr=21.6 μC/cm2和矫顽场Ec=15.5 kV/cm。从电导率曲线上拟合得到的激活能在高温范围(520-620℃)和低温范围(440-500℃)分别为1.56 eV和0.74 eV。复阻抗谱分析表明晶粒和晶界对陶瓷样品的阻抗产生贡献。(2)采用传统固相烧结法(空气中烧结)和低氧分压烧结法制备了(Na0.5K0.5)Nb03-2mol%LiF(KNN-LiF)陶瓷。低氧分压烧结陶瓷密度高于空气中烧结陶瓷,空气中烧结陶瓷的相对密度为92%,低氧分压烧结陶瓷的相对密度为96%。XRD图谱中均没有观察到第二相,表明LiF的添加没有生成第二相。空气中烧结和低氧分压烧结陶瓷室温εr分别为474和451,tanδ分别为0.04和0.03。空气中烧结和低氧分压烧结陶瓷的TO-T分别为177℃和178℃,Tc分别为410℃和415℃。低氧分压烧结陶瓷具有高的压电性能和铁电性能,低氧分压烧结陶瓷的 d33、d33*、Pm、Pr和 Ec 分别为 125 pC/N、186 pm/V、27.4 μC/Cm2、25.9 μC/cm2和13.9 kV/cm,空气中烧结陶瓷的相应值分别为114 pC/N、161 pm/V、26.5μC/cm2、23.0 μC/cm2和 15.6 kV/cm。65 kV/cm 测试电压下,空气中烧结陶瓷的Spos和Sneg分别为0.093%和-0.049%,低氧分压烧结陶瓷的Spos和Sneg分别为 0.092%和-0.027%。(3)采用真空热压烧结法制备了 KNN陶瓷。陶瓷样品在退火后的相对密度均高于96%。XRD图谱表明,不同烧结条件陶瓷都形成了纯钙钛矿结构。烧结条件为975℃/1h、1075℃/6h和1100℃/2h陶瓷的平均晶粒尺寸分别为0.16 μm、0.72μm和0.49μm。975℃/1h陶瓷具有最大的εr=838,低的tanδ=0.02和最大的d33*=178 pm/V。不同烧结条件陶瓷介电温谱曲线上都观察到两个介电异常峰,相变温度TO-T和Tc变化范围在10℃以内。1100℃/2h陶瓷具有最大的d33=132 pC/N。80 kV/cm测试电压下,不同烧结条件陶瓷都有高的Pr,975℃/1h陶瓷的具有最大的Spos=0.149%。采用放电等离子烧结法在925℃保温5 min制备了 KNN陶瓷。陶瓷样品退火后的相对密度高达99.1%,平均晶粒尺寸为0.53 μm。XRD图谱中没有观察到第二相。陶瓷的εr、tanδ、To-T和Tc分别为765、0.02、227℃和404℃。陶瓷表现出高的d33和d33*分别为141 pC/N和191 pm/V。80 kV/cm测试电压下,陶瓷的 Pm、Pr和 Ec分别为 35.58 μC/cm2、28.8 μC/cm2和 14.9 kV/cm;Spos和Sneg分别为 0.145%和-0.072%。研究了真空热压烧结和放电等离子烧结制备的致密KNN陶瓷样品电学性能随晶粒尺寸的变化关系。εr随晶粒尺寸增大表现出明显的减小趋势。Tc随晶粒尺寸的变化范围在10℃以内。TO-T随晶粒尺寸的变化表现出明显的晶粒尺寸效应,随晶粒尺寸的增大表现出先增大后减小的关系,晶粒尺寸为0.53 μm时TO-T具有最大值为227℃。Pr和d33在晶粒尺寸为0.53 μm时具有最大值,分别为28.8 μC/cm2和141 pC/N。晶粒尺寸为0.49μm时,Ec具有最大值17.6 kV/cm,Ec随晶粒尺寸的增大也是先增大后减小。(4)采用传统固相烧结法制备了 BaTi03和Ba(Ti0.99Fe0.01)O3-δ陶瓷,分别记作BT和BTF。陶瓷样品的密度均大于95%。BT和BTF陶瓷的平均晶粒尺寸分别为19 μm和1 μm,掺杂Fe3+离子明显降低了晶粒尺寸。XRD图谱和TEM能谱结果表明,Fe3+离子进入了 BTF晶格中。介温谱曲线上有三个介电异常峰,掺杂Fe3+离子降低了室温介电常数ε’和居里温度Tc。ε"-f曲线上观察到了介电驰豫峰,且峰位出现的频率随测试温度的增大而增大。BT陶瓷的M"-f曲线上只有一个峰,而BTF陶瓷出现了两个峰。σ’ac随/的变化表现出四个区域。BT和BTF的复阻抗谱上表现出晶粒和晶界贡献的两个半圆弧。在相同的测试温度和频率下,BTF陶瓷具有更低的电导率和更大的阻抗值。高频交流电导激活能小于低频交流电导激活能。BT和BTF陶瓷的直流电导激活能均接近1 eV。