两步烧结法制备KNN系无铅压电陶瓷及其性能研究

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压电陶瓷作为智能材料已被广泛应用于传感器、驱动器、换能器等领域。但是,传统的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷,这类陶瓷在生产、使用以及后处理过程中,都会给环境造成危害。因此研究和开发无铅压电陶瓷具有重大的社会和经济意义。K0.5Na(0.5NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷由于具有较高的居里温度和压电性能成为研究的热点。但是该系列压电陶瓷由于碱金属元素的挥发很难通过传统法烧结致密,达到较高的压电性能。本文主要是通过Li、Ta、Sb共掺杂改性,采用新的两步烧结工艺制备高性能的KNN基无铅压电陶瓷。主要研究工作和结果如下:(1).利用两步烧结法制备了KNN压电陶瓷,研究结果表明:两步烧结工艺可以得到晶粒尺寸比较均匀,致密度更高的KNN压电陶瓷。确定了纯的KNN最佳两步烧结工艺,T1=1100oC,v1=2oC/min,T2=980oC,t2=10h。在最佳工艺下得到的性能参数如下:d33=121pC/N,kp=35.2%,εr=815,Pr =9.24μC/cm2。相比较传统烧结法,其压电性能提高了30%左右。(2).采用传统烧结法制备了(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.9-xTa0.1Sbx)O3)体系压电陶瓷材料,研究了Sb2O3和Sb2O5的不同引入对该体系压电陶瓷性能的影响。当Sb以Sb3+引入时,可以得到更加致密的陶瓷,剩余极化比较大,且剩余极化的大小受陶瓷晶粒尺寸的影响较大。各自的性能如下:掺杂物为Sb2O3,x= 0.04时,d33=248 pC/N,Pr=19.2μC/cm2,εr=1254,kp=41%;掺杂物为Sb2O5,x=0.05时,d33=253 pC/N,Pr=15.5μC/cm2,εr=1290,kp=37.4%。(3).研究了两步烧结工艺对(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3压电陶瓷的性能影响,确定了该体系压电陶瓷最佳两步烧结工艺,1140oC/1000oC/10h。在最佳工艺下得到的性能参数如下:d33=310pC/N,kp=52.14%,εr=1346,Pr=22.93μC/cm2。(4).为了降低Ta元素用量,首先采用传统烧结研究了(K0.48-xNa0.52Lix)(Nb0.93-xTaxSb0.07)O3体系压电陶瓷,确定了Ta的最佳用量为0.0375,在最佳烧结工艺下:1120oC,3h,得到的性能如下:晶粒尺寸在1.1μm左右,d33=320pC/N,kp=47%,εr=1909,Pr=22.2μC/cm2。(5).研究了两步烧结工艺对(K0.4425Na0.52Li0.0375(Nb0.8925Ta0.0375Sb0.07)O3压电陶瓷的性能影响,确定了该体系最佳两步烧结工艺,1120oC/10min/1000oC/5h。在最佳工艺下得到的性能参数如下:晶粒尺寸在0.9μm左右,d33=261pC/N,kp=47.6%,εr=1659,Pr=17.67μC/cm2。因此操作简单且不需要复杂设备的两步烧结法可以应用于KNN系列无铅压电陶瓷的低温烧结,并且可以得到晶粒比较均匀、细小,压电性能较高的无铅压电陶瓷。
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