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铅基PZT材料为主导的压电陶瓷已广泛应用于传感器、超声换能器和其他电子器件,而铅是一种有毒物质,使得在生产、制备、使用及废弃处理过程中对人与环境产生很大危害。随着人们对环境保护意识的增强,绿色环保的无铅压电陶瓷成为研究的热点,其中钙钛矿结构的铌酸钾钠基(K,Na)NbO3压电陶瓷由于具有优异的压电性能而成为候选材料。 本文以水热法合成的粉体为原料,采用传统的固相烧结法制备了纯(K0.5Na0.5)NbO3(简称KNN)、(1-X)(K0.5Na0.5)NbO3-XBaTiO3(简称(1-X)KNN-XBT)和0.05mol％添加剂掺杂的0.94(K0.5Na0.5)NbO3-0.06BaTiO3-R(简称KNN-6BT-R,其中R=Co2O3, CuO, MnO2, Bi2O3, In2O3, SnO2, Gd2O3, La(NO3)3.6H2O和Nd(NO3)3.nH2O)无铅压电陶瓷,并研究了陶瓷的烧结特性、物相结构、显微组织和电学性能。主要内容有以下方面: 为获得性能更好的压电陶瓷,本文从陶瓷粉体入手,首先采用水热法合成了铌酸钠(NaNbO3)、铌酸钾(KNbO3)和BaTiO3粉体,通过调控水热条件包括碱金属溶液浓度、反应温度和反应时间等,合成了单一钙钛矿结构且形貌规则尺寸均一的纳米陶瓷粉体。研究了极化工艺对(1-X)KNN-XBT陶瓷性能的影响,确定了最佳极化条件为:极化温度120℃,极化场强2.5kV/mm,极化时间5min。 研究了BaTiO3的掺杂对(1-X)KNN-XBT陶瓷烧结性能、物相结构、显微形貌及电学性能的影响。X射线衍射(XRD)表明(1-X)KNN-XBT陶瓷具有钙钛矿结构,且随着BaTiO3含量的增加,陶瓷由正交相逐渐向四方相转变,在BaTiO3掺杂量为0.02mol-0.06mol范围内,陶瓷存在正交相与四方相共存的准同型相界,BaTiO3含量继续增加,陶瓷转变为立方相;SEM结果显示,BaTiO3的掺杂使得(1-X)KNN-XBT压电陶瓷的形貌发生很大改变,由规则的立方体变为不规则的长方形,且有些晶粒存在异常长大现象;由于制备的陶瓷体密度偏低,漏电流过大导致陶瓷的电滞回线出现不饱和,且压电性能均不高,处于准同型相界的KNN-6BT陶瓷的性能参数为其参数分别为ρ=4.05g/cm3,d33=52.9pC/N,Qm=89,KP=24.5%,tanδ==0.03和ξr=1005。 研究了不同的添加剂对陶瓷性能的影响。结果发现,由于化合价和离子半径不同,不同的添加剂对基体陶瓷 KNN-6BT的影响也不同。烧结助剂CuO、MnO2和SnO2的加入使得KNN-6BT陶瓷基体的(200)晶面与(002)晶面合为一个峰,Bi2O3、Gd2O3、La(NO3)3.6H2O和Nd(NO3)3.nH2O的掺杂使其主衍射峰分峰更加明显,而掺杂Co2O3和In2O3的陶瓷体系仍为正交-四方相共存的晶体结构;添加剂的掺杂也改变了KNN-6BT陶瓷的显微形貌,其中掺杂MnO2、SnO2、Co2O3和Nd(NO3)3.nH2O的陶瓷体系为规则的四方体形貌,而掺杂 In2O3的陶瓷出现过烧现象,形成熔岩状的花状形貌,掺杂La(NO3)3.6H2O的陶瓷出现明显的断晶现象,而掺杂Gd2O3的陶瓷形貌存在一些规则形状的大颗粒; 不同的添加剂对KNN-6BT陶瓷基体的电学性能影响也不同,不同价位离子的相互取代,使晶体内产生一定的氧离子空位或A位金属离子空位,使得晶格结构发生变化,从而影响了其各项电学性能参数。助熔剂 MnO2、CuO、In2O3和SnO2表现出硬性添加剂的特点,不仅提高了陶瓷的体密度,而且显著提高了材料的机械品质因数,降低了介电损耗tanδ。而Nd(NO3)3.nH2O的添加使陶瓷样品的机械品质因数Qm降低而介电损耗tanδ增加,表现出软性添加物的特征。因此可以根据压电陶瓷的应用领域选择合适的陶瓷添加剂。