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本论文选取铌酸钾钠陶瓷体系,通过掺杂Li、Sb、Ta元素,分别采用传统固相法和水热法制备铌酸钾钠粉体,并用常规烧结法和两步烧结法制备铌酸钾钠陶瓷块体,同时研究这些掺杂离子对铌酸钾钠陶瓷性能的影响规律。
采用传统固相法分别合成(Na0.5K0.45Li0.05)(Nb0.9Ta0.08Sb0.02)O3、(Na0.5K0.45Li0.05)(Nb0.9Ta0.05Sb0.05)O3和(Na0.5K0.45Li0.05)(Nb0.9Ta0.02Sb0.08)O3三种配比的KNN粉体,并分别用常规法烧结和两步法烧结制备其陶瓷块体。实验结果表明,配方为(Na0.5K0.45Li0.05)(Nb0.9Ta0.08Sb0.02)O3陶瓷性能最佳,而且两步法烧结更有利于KNN性能提高。经过两步法烧结(1120℃×10min+920℃×60h)后,(Na0.5K0.45Li0.05)(Nb0.9Ta0.08Sb0.02)O3陶瓷具有最大相对密度(97.15％)和最佳的介电、压电和铁电性能,其在1kHz下的电容率ε和介电损耗tanδ分别为2612和0.020,压电常数d33为310pC/N,剩余极化强度Pr和矫顽电场Ec分别为26.6μC/cm2和7.84kV/cm。
利用水热法成功合成铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉末,系统地的研究起始碱溶液浓度、反应时间、Nb2O5加入量对于合成产物的影响。实验结果表明,当水热反应温度为180℃、反应时间为16h、KOH/NaOH起始浓度比例为7.4/2.6、碱总浓度6mol/L、Nb2O5加入量为1g和1.5g(50mL)时,能生成单一钙钛矿相的铌酸钾钠粉体。
水热法制备的KNN陶瓷前驱体经过常规法烧结(1120℃×6h)后,具有最佳的介电、铁电和压电性能。纯KNN其在1kHz下的电容率和介电损耗分别为1012和0.040,剩余极化强度Pr和矫顽电场Ec分别为20.1μC/cm2和8.84kV/cm,压电常数d33为150pC/N。掺杂后的KNN其在1kHz下的电容率和介电损耗分别为2712和0.020,剩余极化强度Pr和矫顽电场Ec分别为27.1μC/cm2和7kV/cm,压电常数d33为350pC/N。
本论文还探索KNN无铅压电陶瓷的应用。以KNN陶瓷片为压电相,金属Ni为磁电相,以环氧树脂为粘合剂制备磁电复合材料,探究其耦合效果及磁电性能。并初步将KNN无铅压电陶瓷应用于智能交通中的载重测量。