碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷的制备工艺和改性研究

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采用传统陶瓷制备工艺制备了0.94(K0.5Na0.5)NbO3-0.06LiNbO3无铅压电陶瓷,探讨了制备工艺尤其是烧结温度对0.94(K0.5Na0.5)NbO3-0.06LiNbO3无铅压电陶瓷结构和性能的影响。XRD分析结果表明,在10601090℃所研究的烧结温度范围内,陶瓷为单一钙钛矿结构,当烧结温度为1060℃时,陶瓷为四方相结构,当烧结温度为10701090℃时,陶瓷转变为正交相和四方相共存的状态。显微形貌分析显示,随着烧结温度的增加,陶瓷的晶粒逐渐增大,当烧结温度为1080℃时,陶瓷具有最优的显微形貌:晶粒尺寸较为均匀,平均粒度约为10μm。研究还发现,随着烧结温度的增加,陶瓷的居里温度Tc逐渐升高,在1080℃达到最大值494℃后开始降低,而压电常数d33、平面机电耦合系数Kp和厚度机电耦合系数Kt先逐渐增大,介电损耗tanδ则先减小,当烧结温度为1080℃时,表现出最好的电学性能,d33为208pC/N、Kp为0.39、Kt为0.36、tanδ为0.019。而进一步升高烧结温度,陶瓷的电学性能则开始降低。研究了K/Na比的变化对0.94(KxNa1-xNbO3)-0.06LiNbO3陶瓷结构和性能的影响。XRD分析结果表明,在0.40≤x≤0.60范围内,陶瓷为单一钙钛矿结构,并且均同时具有正交对称性和四方对称性,随着x的增加,四方相含量逐渐减少,正交相含量逐渐增多。显微形貌分析显示,随着x的增加,陶瓷的晶粒先逐渐增大,至x=0.50时晶粒最大,之后x的增加导致晶粒逐渐减小。随着x的增加,陶瓷的居里温度Tc总体向高温方向移动,集中在465494℃之间,而压电常数d33、平面机电耦合系数Kp和厚度机电耦合系数Kt均先增大后减小,当x=0.45时,具有最优的压电性能,d33、Kp和Kt分别为235pC/N、0.42和0.39。研究了添加过量的Na对0.94(K0.5Na0.5+xNbO3)-0.06LiNbO3陶瓷结构和性能的影响。XRD分析结果表明,在所研究的范围内(0≤x≤0.02),陶瓷具有正交相和四方相共存的结构,随着x的增加,四方相成分减弱,正交相成分增强。显微形貌分析显示,陶瓷的晶粒随着x的增加先减小后增大。随着x的增加,陶瓷的居里温度Tc总体向低温方向移动,集中在477494℃之间,而陶瓷的压电常数d33、平面机电耦合系数Kp、厚度机电耦合系数Kt和相对介电常数εr逐渐增大,当x=0.01时,陶瓷具有最佳的电学性能,d33为255pC/N,Kp为0.46,Kt为0.42和εr为850,但随着x的进一步增加,陶瓷的电学性能开始减小。研究了烧结助剂ZnO的添加对0.94(K0.5Na0.5NbO3)-0.06LiNbO3-xZnO陶瓷结构和性能的影响。XRD分析结果表明,在以质量百分比掺杂范围内(0≤x≤0.01),陶瓷均能形成单一的钙钛矿结构,当x≤0.005时,陶瓷属于正交相和四方相共存,而x≥0.0075时,陶瓷转变为单一的正交相。显微形貌分析显示,随着x的增加,陶瓷的晶粒先减小后增大。随着x的增加,陶瓷的正交-四方相转变温度To-t总体向高温方向移动,居里温度Tc总体向低温方向移动,集中在470494℃之间,而陶瓷的压电常数d33、平面机电耦合系数Kp和厚度机电耦合系数Kt整体为减小的趋势。添加ZnO后,在x=0.005时,陶瓷的压电性能达到最大值,d33、Kp和Kt分别为194 pC/N、0.31和0.30。
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