组元引入及掺杂改性对KNN基无铅压电陶瓷性能的影响

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目前,大量使用的压电陶瓷都是以锆钛酸铅为代表的铅基压电陶瓷,其主要成分是氧化铅,PbO是一种有毒物质,会造成大量的铅污染。因此,研究具有高性能的无铅压电陶瓷具有重大社会经济价值。另一方面,随着航空航天、医疗系统等高新技术迅猛发展,对能够在高温环境下工作的压电功能器件提出了迫切需求。Kx Na(1-x)NbO3(KNN)无铅压电压电陶瓷因其较好的压电性能和较高的居里温度成为铅基压电陶瓷最具潜力的替代品之一。本文将通过添加新组元以及离子掺杂两种方式对0.94 K0.48Na0.52NbO3-0.06LiSbO3(0.94KNN-0.06LS)陶瓷进行改性,具体情况如下:(1)以0.94KNN-0.06LS为基,引入新组元Bi0.5Na0.5ZrO3(BNZ),制备得到0.94KNN-(0.06-x)LS-xBNZ陶瓷。所有陶瓷均呈现出单一的钙钛矿结构,当x=0.04时,样品相结构处于三方相-四方相共存的多晶型相变(PPT)区域,陶瓷具有最佳的电学性能:d33=286pC/N,kp=42%,εr=2400,tanδ=0.044。陶瓷电学性能提升明显,介电弛豫行为有所增强,居里温度小幅下降,但均在320℃以上,远高于PZT基压电陶瓷,适用于高温环境下的应用。(2)以0.94KNN-0.02LS-0.04BNZ为基,研究CeO2掺杂对其性能的影响。结果表明,CeO2能抑制陶瓷晶粒生长,陶瓷介电常数增加,介电损耗明显降低。当x=0.03%时,陶瓷综合电学性能最佳:d33=252pC/N,kp=42%,εr=2832,tanδ=0.018。(3)以0.94KNN-0.02LS-0.04BNZ为基,研究Sm2O3掺杂对其性能的影响。结果表明,Sm2O3能增强陶瓷的弛豫行为,x=0.4%时γ最大为1.72559,陶瓷弛豫特征最强。当x=0.3%时,陶瓷电学性能最佳,d33=242pC/N,kp=39%,εr=2547,tanδ=0.038。(4)以0.94KNN-0.02LS-0.04BNZ为基,研究La2O3掺杂对其性能的影响。结果表明,相比于未掺杂时,压电常数和机电耦合系数数值整体呈下降趋势,当x=0.1%时,陶瓷具有最佳的综合电学性能,d33=255pC/N,kp=39%,εr=2637,tanδ=0.02,介电常数小幅提升,介电损耗下降明显,降幅达50%。(5)以0.94KNN-0.02LS-0.04BNZ为基,研究Co2O3掺杂对其性能的影响。结果表明,Co2O3作为烧结助剂,能降低烧结温度,促进陶瓷晶粒长大。当x=0.2%时,陶瓷电学性能最佳,d33=244pC/N,kp=37%,εr=2134,tanδ=0.038,介电损耗略微下降。(6)CeO2、Sm2O3、La2O3掺杂均能抑制陶瓷晶粒的生长,增强陶瓷的弛豫行为,并且居里温度均在280℃以上,适用于高温环境下的弛豫铁电体。
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