铌酸盐基压电单晶、陶瓷的制备及其性能研究

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锆钛酸铅基(PZT)材料在压电材料及其应用领域中一直占据着主导地位。然而,铅的毒性很高,随着人们对生存环境质量要求的逐步提高、国际环境保护呼声的日益高涨,目前,作为无铅材料的碱金属铌酸盐备受压电材料研究领域关注。本文主要进行了NaNbO3-KNbO3二元体系的助熔剂法晶体生长、陶瓷晶粒异常长大以及坩埚下降法晶体生长研究。助熔剂法生长出NaNbO3、0.85K0.5Na0.5NbO3-0.15SrTiO3(0.85KNN-0.15STO)晶体;研究了KNbO3、K0.5Na0.5NbO3(KNN)、0.85KNN-0.15STO陶瓷的晶粒异常长大行为;坩埚下降法生长出KNbO3单晶。 采用NaCl和Na2CO3作复合助熔剂,结合回熔、坩埚套装方法,在高纯氧化铝刚玉坩埚中生长出毫米大小的常温反铁电体NaNbO3晶体;晶体出现二维层状生长。生长的0.85KNN-0.15STO晶体时,改用K2CO3和Na2CO3的复合助熔剂,晶体尺寸为70μm左右,晶体生长速度慢,且以二维多核生长机制为主。实验中热力学数据的欠缺,限制了回熔、坩埚套装工艺对晶体成核控制的效果发挥。 在套装的双坩埚中提供一个K2CO3气氛,1015℃保温1小时,制备出的KNbO3陶瓷,微溶于水,密度为其理论密度的92.6%;陶瓷晶粒生长速度慢,容易晶粒异常长大。KNN晶粒容易均匀长大,限制了KNN的晶粒异常长大;延长保温时间、提高保温温度、在陶瓷片表面引入KNbO3粉末,均未发现KNN陶瓷的晶粒异常长大。在KNN的配料中引入15mol%的SrTiO3后,球磨20小时的试样中发现陶瓷晶粒异常长大,球磨60小时的试样中未发现晶粒异常长大;埋入实验中生长的NaNbO3晶种后,晶种在烧结阶段反应溶化,未发现晶粒异常长大。 采用K2CO3和Nb2O5为原料,以52∶48的K2O/Nb2O5摩尔比配料,垂直方式下降高纯氧化铝刚玉坩埚,生长KNbO3单晶,发现:1)温度梯度为1.2℃/mm,下降速度为0.5mm/h,并加以10转每分钟的正反转,2)温度梯度为4℃/mm,下降速度为0.5mm/h,并在坩埚托套底部穿孔来控制晶体的成核,上述两种工艺均生长出蓝黑色的KNbO3单晶,尺寸为几个毫米,晶体多畴;熔体与刚玉坩埚发生反应,且凝固熔体不易与坩埚分离;托套底部穿孔设计可有效控制晶体成核。
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