铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备和改性研究

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作为人们日常生活不可或缺的重要功能材料,铅基压电陶瓷有一个无法回避的问题---含质量分数超过60%的铅元素,而铅对人体和环境有很大的毒害作用。随着时代的进步和人民生活水平的日益提升,压电陶瓷的无铅化迫在眉睫。近年来,作为无铅压电陶瓷的代表---铌酸钾钠基(KNN)陶瓷材料的性能不断突破,被认为是最有希望取代铅基压电陶瓷的材料之一。然而目前的研究报道显示KNN基陶瓷的工艺敏感性很强,制备工艺重复性和材料本身的温度稳定性较差,同时其压电性能与传统的含铅材料比较还有很大的提升空间。因此,开发新的工艺参数和实验方法来提升KNN基陶瓷的压电性能和温度稳定性无论在军用还是民用都具有重要的意义。相结构的调控和新型相界的设计是目前报道提升KNN基陶瓷压电性能的核心改性方式,本论文从制备工艺出发,开展了不同烧结方式及掺杂改性调控相界对KNN基陶瓷影响的研究,主要包括以下几个方面:一、制备了(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3(简称KNNLTS)陶瓷和K0.5Na0.5Nb O3(简称KNN)陶瓷,(1)研究了不同球磨方式对KNN陶瓷压电性能的影响。发现以5mm、2mm氧化锆珠混合进行初次和第二次球磨的效果最好,制备的KNN陶瓷致密度最高、压电性能最优异。(2)探究了二步烧结对KNN陶瓷和KNNLTS陶瓷物性的影响,发现二步烧结能明显提高KNN陶瓷和KNNLTS陶瓷的致密度,提升陶瓷的压电性能。KNN陶瓷d33、Kp分别从117p C/N、0.34提升到133 p C/N、0.42,KNNLTS陶瓷d33、Kp分别从255p C/N、0.41提升到341p C/N、0.51。同时发现二步烧结能改变陶瓷的相结构,KNNLTS陶瓷室温下由普通烧结的四方相转变为正交-四方相两相共存。(3)探究了助烧剂Fe2O3对KNNLTS陶瓷物性的影响,发现助烧剂Fe2O3以液相的形式辅助KNNLTS陶瓷烧结,降低了陶瓷的烧结温度,提高了陶瓷的致密度,陶瓷的压电性能得到增强,KNNLTS陶瓷d33、Kp从255p C/N、0.41提升到312p C/N、0.48。同时Fe2O3会促使KNNLTS陶瓷室温下由四方相转变为正交-四方相两相共存。二、制备了(1-x)K0.48Na0.52Nb0.96Sb0.04O3-x(Bi0.5Na0.5)Zr O3(简称KNNS-x BNZ)系列陶瓷,(1)研究了BNZ对KNN基陶瓷物性的影响。发现当x=0.04时,陶瓷的致密度最高,压电性能最为优异,d33和Kp分别达到了463p C/N和0.55。KNNS-0.04BNZ陶瓷高压电性能来源于室温下三方-四方相共存、高的微观致密度、纳米畴的共同贡献。通过陶瓷矫顽场和Qm随BNZ含量增加而降低推断BNZ主要起软性掺杂的作用,陶瓷的局域不均匀性随BNZ含量增加而增加。该陶瓷的串联谐振频率Fs、相对介电常数εr温度稳定性较为优异,具有在无铅高温超声换能器领域应用的潜力。(2)以KNNS-0.04BNZ陶瓷为对象研究了二步烧结条件对陶瓷物性的影响,发现KNNS-0.04BNZ陶瓷的最佳烧结条件为:T1=1200℃,T2=1080℃,t1=5min,t2=20h。三、制备了0.96K0.48Na0.52Nb0.96-xSb0.04TaxO3-0.04(Bi0.5Na0.5)Zr O3(简称KNNSTx-0.04BNZ)系列陶瓷,研究了钽掺杂对KNNS-0.04BNZ陶瓷物性的影响。发现陶瓷随x增加d33先增加后减少,在x=0.03时取得最大值447p C/N,陶瓷致密度最高。介电温谱结果表明KNNSTx-BNZ陶瓷室温下处于三方-四方相共存状态,其中钽掺杂对Tc和Tr-o&o-t的降低速率远低于BNZ,这可能与Ta5+和Nb5+离子半径及电负性非常接近有关。
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