KNN基无铅压电陶瓷的闪烧制备研究

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闪烧是近些年来新兴的一种电流/电场辅助烧结技术,具有低温、低能耗、快速致密化陶瓷材料等优点。铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷是一种环境友好、压电性能优异的功能陶瓷材料,但采用传统固相法制备KNN基陶瓷往往需要在高温下保持数小时的烧结,这不仅会造成很高的能耗,而且较高的温度会导致碱金属元素K、Na的挥发,影响KNN基陶瓷的致密性,导致其综合电学性能变差。因此,发展KNN基陶瓷的低温快速烧结制备技术具有重要意义。本文将采用新型的电场/电流辅助烧结技术—闪烧,来制备KNN基无铅压电陶瓷。研究发现,闪烧能够有效降低KNN基陶瓷的烧结温度,并大大缩短其烧结致密化时间,可有效抑制碱金属元素K和Na的损失,从而获得致密、纯相、综合电学性能较好的KNN基陶瓷。另外,闪烧能促进固相反应和烧结致密化的同步进行,从而可以通过直接闪烧氧化物前驱体而得到致密且纯相的KNN基无铅压电陶瓷。具体研究内容为:(1)使用熔盐法制备出纯相的Na Nb O3、KNb O3粉体,然后控制Na/K元素摩尔比为1:1,通过单轴干压成型技术将掺杂Zr O2的Na Nb O3-KNb O3氧化物前驱体压制成狗骨头形的素坯。给掺杂Zr O2的Na Nb O3-KNb O3素坯施加600-900 V/cm的直流电场和30-150 m A的限制电流,对其反应闪烧行为进行了详细的研究。结果表明,在一定电场强度下,当样品所处的环境温度达到某一阈值时,样品的电导率迅速上升,并伴随着快速的致密化和强烈的发光现象,此时闪烧发生。研究发现,Zr O2掺杂的Na Nb O3-KNb O3在438-533℃发生闪烧;随着电场强度的增加,氧化物前驱体的闪烧起始炉温逐渐降低;当电场强度为600 V/cm时,与未掺杂Zr O2的混合粉体相比,闪烧温度从852℃降低到533℃,且都获得了致密、纯相的KNN陶瓷;在该研究中,实现了固相反应和致密化一步完成;另外,根据黑体辐射模型和缺陷理论对快速的固相反应及烧结致密化现象进行了探讨。(2)使用常规固相法在800℃制备了正交相的KNN陶瓷粉体,然后干压成型获得KNN陶瓷素坯。给素坯施加400-800 V/cm的直流电场和21-150 m A的限制电流,对其闪烧行为进行研究。研究发现,KNN陶瓷在847-937℃发生闪烧;随着电场强度的增加,KNN陶瓷发生闪烧的起始炉温降低,闪烧后所获得的KNN陶瓷的晶粒尺寸减小,致密度增加;限制电流大小与KNN陶瓷的晶粒尺寸和致密度呈正相关的关系;闪烧后所获得KNN陶瓷具有较好的铁电压电性能。(3)以常规固相法制备了掺杂CaZrO3的KNN陶瓷粉体,并压制成狗骨头形的素坯。给素坯施加600-900 V/cm的直流电场和100 m A的限制电流,闪烧发生后保持30 s的时间,制备出了致密且均匀的KNN-CaZrO3陶瓷。研究发现,KNN-CaZrO3在742-842℃发生闪烧;随着电场强度的增加,掺杂CaZrO3的KNN陶瓷闪烧的初始炉温降低,晶粒尺寸逐渐减小,致密度增加;同时,闪烧前后KNN基陶瓷的物相结构均为正交-四方混合相;闪烧后获得掺杂CaZrO3的KNN陶瓷样品具有良好的压电性能。
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