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(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)陶瓷材料具有低介电常数和相对高的机电耦合系数,使其在超声延迟线和超声换能器(10~20MHz)领域具有应用前景。到目前为止,限制其应用的因素有两个:一是制备致密的KNN陶瓷较为困难。KNN体系的烧结温度在1140℃附近,且烧结温度范围窄;K2O的熔点为650℃,烧结过程中易挥发。促进烧结致密而提高烧结温度与抑制K2O挥发维持化学计量比这对矛盾成为得到致密、性能优越的KNN陶瓷材料的关键。另外,为了提高换能器材料的灵敏度等指标,还需要提高材料的压电、机电性能,同时对材料性能的时间和温度稳定性也有一定的要求。目前,KNN材料的综合性能还不能完全满足此要求。本文通过Sr、Mn共掺杂对KNN陶瓷材料烧结性能和电学性能进行了改善和提高,并对其作用机理做了讨论分析。主要包括以下四方面内容:
⑴通过二价S广离子对KNN进行“施主”掺杂以改善陶瓷材料的烧结性能和致密度;研究了其对材料的相组成、直流电导率、介电、压电和铁电性能的影响。
⑵在Sr2+掺杂基础上,利用Mn掺杂来抑制K2O在KNSN陶瓷材料烧结期间的挥发,提高材料的密度;同时降低材料的介电常数和介电损耗以满足高频用换能器对材料性能的要求。讨论了Mn掺杂和氧空位对KNSN材料电导、介电、压电性能的影响。
⑶通过对比KNN内掺和外加Mn之间,有无预留A空位之间的直流电导、交流阻抗谱、介电、压电等性能,分析了Mn在晶格与晶界的分布,氧空位和A空位间的相互作用及其对材料电学性能的影响。
⑷在成功制备了[(K0.5Na0.5)1-xSrx](Nb1-xMnx)O3陶瓷材料的基础上,对其相组成、直流电导率、介电、压电和铁电性能作了系统的研究。
⑸制备得到组成为(K,Na)0.98Sr0.01NbO3+100xmol%MnO2(x=0.01),压电、机电性能优良的材料,适于超声换能器的应用(Tc=407℃,εr=287,d33=119pC/N,Kp=41.5%,Qm=479,|Zn|/|Zm|=4036)。