【摘 要】
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压电陶瓷可实现电能与机械能之间的转换,被广泛应用于军工和民用产品中,例如传感器、换能器、超声马达等。铅基压电陶瓷由于其热稳定性和优异的压电性能,是目前普遍使用的压电陶瓷体系。但由于铅对环境和人体的危害,一些组织和国家已陆续开始禁止或限制铅的使用,因此用无铅压电陶瓷取代铅基陶瓷成为目前压电陶瓷领域的研究热点之一。铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷具有高的居里温度及可调控性的优异性能,被认为是最有可能代替
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压电陶瓷可实现电能与机械能之间的转换,被广泛应用于军工和民用产品中,例如传感器、换能器、超声马达等。铅基压电陶瓷由于其热稳定性和优异的压电性能,是目前普遍使用的压电陶瓷体系。但由于铅对环境和人体的危害,一些组织和国家已陆续开始禁止或限制铅的使用,因此用无铅压电陶瓷取代铅基陶瓷成为目前压电陶瓷领域的研究热点之一。铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷具有高的居里温度及可调控性的优异性能,被认为是最有可能代替铅基陶瓷的备选材料之一。本文以铌酸钾钠基（KNN）为基体,通过掺杂的方式构建了多晶相界,改善了其压电性能,并且系统的分析了陶瓷性能的增强机制,具体研究内容及总结如下所述:1、首先研究了用廉价的Al取代昂贵的Bi的掺杂实验:用传统的固相法制备了（1-x）K0.5Na0.5Nb0.965Sb0.035O3-x（Bi0.82Al0.18）0.5Na0.5Zr O3无铅压电陶瓷（x=0.02、0.03、0.04和0.05）。XRD分析结果表明,随着x的增加,陶瓷发生了由正交（O）相向四方（T）的相变,其压电性能有所提高(d33～258 p C/N,kp～0.40)。根据特征振动模式拉曼位移的变化,研究了小半径Al离子在KNN晶格变形中起到的作用,定性地推导出晶格变形和与之相关的相演变过程。2、在上述研究的基础上,进一步调整了配方,用传统固相法制备了0.955(K0.5Na0.5)(Nb0.965Sb0.035)O3-0.045(Bi1-xAlx)Na0.5Zr O3（x=0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.20）无铅压电陶瓷。当x=0.1时,陶瓷中形成了三方（R）-四方（T）相共存的相界和独特的电畴结构,促进了不可逆转的非180°畴壁运动,使陶瓷获得了优异的电学性能(d33～570 p C/N,kp～0.60)。此外,陶瓷还具有高的居里温度（Tc～280℃）和低的损耗（tanδ～0.28%）。3、在前述实验的基础上,选取了Al和Hf共掺于KNN陶瓷,用固相法制备了陶瓷（1-x）K0.5Na0.5Nb0.965Sb0.035O3-x（Bi0.9Al0.1）0.5Na0.5Zr0.42Hf0.58O3（x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.045和0.05）无铅压电陶瓷,进一步探究A、B位共同掺杂对陶瓷性能的影响。XRD精修、拉曼光谱、透射电子显微镜分析和介温曲线分析结果表明;当0.04≤x≤0.05时,陶瓷形成了三方-四方（R-T）相共存;当x=0.045时陶瓷在可逆的非180°畴壁运动的作用下,表现出优良的压电性能(d33～451 p C/N,d*33～404 pm/V;kp～0.46)。4、用水热法在180℃/6h的水热条件下合成了BiFeO3超细颗粒,再用预合成的BiFeO3颗粒制备了（1-x）K0.5Na0.5Nb0.965Sb0.035O3-x BiFeO3（x=0、0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007和0.008）无铅压电陶瓷,系统研究了陶瓷的微观组织和电学性能,深入分析了陶瓷性能显著提高的机理。结果表明,丰富的T相有利于提高陶瓷的性能。此外,通过对比上述方法及常规固相反应获得的陶瓷的能带结构可知,采用粉末预处理的陶瓷在KNNS和BF界面处产生了肖特基势垒,促进了电畴的偏转。综上所述,由于电畴运动更容易,陶瓷的压电性能（d33～220 p C/N和kp～0.46）优于传统固相法合成的陶瓷(d33～161 p C/N和kp～0.39)。
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