高透明性KNN-MZN(M=Ca,Sr,Bi)陶瓷的电性能及储能密度研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lang_tianhua
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透明铁电陶瓷因其具有优异的光学、电学、机械性能以及储能等特性而在现代光学器件技术、未来计算机技术、电子信息技术和国防军事中具有良好的应用前景。铅基材料由于其优异的透明性和电性能,在透明铁电陶瓷材料中占据主要地位。然而,日益加剧的环境问题限制了重金属铅的广泛应用,因此研究具有优异透明性和电性能的无铅透明铁电陶瓷材料迫在眉睫。本研究主要以提高陶瓷透明性、电性能和储能密度为目的,利用传统固相法制备出以K0.5Na0.5Nb03为基础体系,以M(Zn,Nb)03(M = Ca,Sr,Bi)为第二组元的高透明陶瓷,并系统研究陶瓷组成设计对相结构、微观结构、电性能、透明性和储能密度的影响,主要得出了以下结论:1.采用传统固相制备法,通过摸索球磨工艺、预烧条件、造粒工艺和烧结条件,成功制备出(1-x)K0.5Na0.5Nb03-xCa(Zn1/3Nb2/3)03(x= 0.03,0.05,0.06,0.07,0.08,0.10;(1-x)KNN-xCZN)陶瓷。研究CZN含量对陶瓷的相结构、微观结构、类弛豫结构、透明性和电性能的影响。结果表明:随着Ca(Zn1/3Nb2/3)03含量的增加,陶瓷的晶体结构由正交相转变成伪立方相,晶粒先减小后增大,类弛豫行为越来越明显,透光率先增大后减小。在x = 0.07时,陶瓷为伪立方相结构,晶粒减小至195 nm,相对密度增大到98%,类弛豫行为比较明显,透光率在近红外区超过80%,在可见光区超过70%,电学性能良好:d33= 102 pC/N,εm=1162。2.设计并制备出(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xSr(Zn1/3Nb2/3)O3(x= 0.03,0.05,0.06,0.07,0.08,0.10;(1-x)KNN-xSZN)陶瓷,研究SZN含量对陶瓷的相结构、晶粒尺寸、类弛豫结构、透明性和储能密度的影响。结果表明:Sr(Zn1/3Nb2/3)O3的掺入使得陶瓷样品形成了纯的相结构、细小的晶粒尺寸、致密的微观结构和类弛豫结构。随着Sr(Zn1/3Nb2/3)03含量的增加,陶瓷的相结构由正交相转化为伪立方相,晶粒先增加后减小,类弛豫结构越来越明显。在x = 0.06时,陶瓷的相结构为伪立方结构,晶粒尺寸细小且分布均匀,在波长为780 nm时,透光率为73%,在波长为1064 nm时,透光率为80%,在测试电场为180 kV/cm时,储能密度可达到3.0 J/cm3,其中可回收储能密度为1.5J/cm3。此外,与掺入Ca2+离子的陶瓷相比,掺入Sr2+离子的陶瓷由正交相转化为伪立方相所需要的第二组元的浓度较低,类弛豫行为更加明显,晶粒尺寸更小,使得掺入Sr2+离子的陶瓷具有更加优异的透明性和储能特性。3.设计并制备出(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Zn2/3Nb1/3)O3(x = 0.03,0.05,0.06,0.07,0.08;(1-x)KNN-xBZN)陶瓷,研究BZN含量对陶瓷相结构、晶粒尺寸、类弛豫结构、透明性、电性能和储能密度的影响。结果表明:Bi(Zn2/3Nb1/3)03的掺入使得陶瓷样品的相结构依然是低对称的正交相,陶瓷样品的晶粒生长被抑制,陶瓷样品的透明性、电性能和储能密度提高。随着Bi(Zn2/3Nb1/3)O3含量的增加,陶瓷的晶粒尺寸增大,在可见光区的直线透光率单调递减;陶瓷的扩散因子γ增大,弛豫性增强,最大可达到1.90,表明陶瓷由正常铁电体转变为弛豫铁电体,这使得陶瓷对光的散射远低于正常铁电体中宏畴对光的散射,从而提高了陶瓷的透光率,尤其是在近红外区的透光率。当x=0.06时,在近红外区,陶瓷的透光率可以达到91%,并且具有良好的电性能:εm= 1337,Pr=5.28μC/cm2和储能密度:Wtotal = 1.4 J/cm3,Wrec = 0.7 J/cm3
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