新型鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的改性制備及性能研究.pdf

1、在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，壓電陶瓷憑借其在電子學(xué)、光電子學(xué)等多個(gè)高科技領(lǐng)域的廣泛且不可替代的應(yīng)用，現(xiàn)已成為各國爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)，且隨著相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展及特殊的需求，使得壓電陶瓷逐漸向無鉛化、復(fù)合化、納米化等多元方向發(fā)展。然而，當(dāng)前大量使用的壓電陶瓷仍然以PZT基壓電陶瓷為主，這對(duì)當(dāng)前開展人類可持續(xù)發(fā)展和強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)的世界各國提出了挑戰(zhàn)，但是在2000年后出現(xiàn)了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，世界各國分別針對(duì)當(dāng)前大量使用的傳統(tǒng)PZT鉛基壓電陶瓷的使用制定了相關(guān)

2、的法規(guī)，《電子信息產(chǎn)品污染防止管理辦法》自2006年7月在我國也開始起效，并且我國也把無鉛壓電陶瓷的研究列入了最新的國家戰(zhàn)略規(guī)劃。針對(duì)近20多年的研究，在目前研究的幾大無鉛壓電陶瓷體系中，鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷具有很好的發(fā)展?jié)撃?，但是一直存在采用傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)難以獲得致密陶瓷的缺點(diǎn)。本論文結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外KNN基無鉛壓電陶瓷相關(guān)的研究進(jìn)展和前期的研究基礎(chǔ)，一方面，通過離子取代獲得改性新體系，另一方面，通過添加復(fù)合燒結(jié)助劑來改善制備技術(shù)，以此獲得

3、高性能、高致密性的KNN基無鉛壓電陶瓷。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.通過改善KNN壓電陶瓷的燒結(jié)性能，提高陶瓷的致密性，以便獲得高性能新型無鉛壓電陶瓷。本項(xiàng)研究采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝，在國內(nèi)外首次以微量6％mol的LiSbO3作為添加劑，并以SrTiO3作為第二相對(duì)KNN壓電陶瓷進(jìn)行了改性，成功制備了6％mol LiSbO3摻雜改性的KNN-ST-x無鉛壓電陶瓷。XRD、SEM等現(xiàn)代測(cè)試分析顯示，KNN-ST-x(x=2-10％ m

4、ol)體系陶瓷所有樣品均具有很高的致密性，并呈現(xiàn)出單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的四方晶相，說明了少量的SrTiO3和LiSbO3的復(fù)合改性，能有效地提高KNN無鉛壓電陶瓷的致密性和電性能。特別是，當(dāng)x=0.04時(shí)，以6％mol LiSbO3摻雜的壓電陶瓷具有高的致密性和優(yōu)秀的電學(xué)性能，其中:d33=267pC/N，kp=46％，εr=1168，tanδ=2.1％，Pr=30.3μC/cm2，EC=1.98kV/mm。
　　2.通過設(shè)計(jì)KNN壓

5、電陶瓷的新型相界，以此提高壓電陶瓷的電學(xué)性能。本項(xiàng)研究首次提出，通過微量Ni離子的B位取代和第二組元SrTiO3的摻雜，對(duì)KNN陶瓷進(jìn)行了復(fù)合改性。XRD、SEM等現(xiàn)代測(cè)試分析顯示，微量的Ni離子的取代不但沒有出現(xiàn)任何第二雜相，反而在整個(gè)研究范圍內(nèi)均能形成一個(gè)純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，而且在0.02＜x＜0.06范圍內(nèi)，KNNN-ST-x體系陶瓷存在正交-四方的準(zhǔn)同型相界(MPB)，并因此在x=0.04時(shí)獲得了高致密性的、高性能的壓電陶瓷，其中:

6、d33=243pC/N,kp=47％,εr=1079,tanδ=2.3％,Pr=26.4μC/cm2,EC=2.07kV/mm。這說明少量的Ni離子的B位取代和SrTiO3的同步摻入，可以增加KNN壓電陶瓷的致密性、電性能和保證鈣鈦礦相的純度，同時(shí)證明了建立新型相界是改善當(dāng)前KNN壓電陶瓷的有效手段之一。
　　3.通過B位取代的措施，提高KNN壓電陶瓷的燒結(jié)性能。本項(xiàng)研究采用傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)，首次以變量的Sn離子和Sb離子同時(shí)進(jìn)行

7、B位的取代，一個(gè)新型的、高性能的、高致密性的壓電陶瓷KNNSS被成功制備。XRD、SEM等現(xiàn)代測(cè)試分析顯示，KNNSS陶瓷在整個(gè)研究范圍內(nèi)均能形成一個(gè)純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的正交相，并且適量Sn離子在B位的取代，能有效地增強(qiáng)液相燒結(jié)，促進(jìn)晶粒均勻生長(zhǎng)，提高陶瓷的致密性，有效地克服了因高溫下K離子、Na離子的揮發(fā)的缺點(diǎn)。研究結(jié)果顯示，在x=0.03時(shí)，KNNSS陶瓷呈現(xiàn)了一個(gè)優(yōu)秀的電性能(d33=288pC/N,kp=48％,εr=1286, t

8、anδ=2.9％, Pr=30.1μC/cm2, EC=1.01kV/mm,T=419℃)。這說明在B位低價(jià)離子對(duì)Nb離子的取代，形成的適量氧空位有利于陶瓷的致密性及電性能的提高。
　　4.通過A位和B位同時(shí)取代的措施，以此獲得MPB新型相界。本項(xiàng)研究采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)技術(shù)，通過添加第二組元LiTaO3獲得在A位和B位同時(shí)取代的效果。XRD、SEM等現(xiàn)代測(cè)試分析顯示，適量的LiTaO3的取代，可以獲得單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)有效地促進(jìn)

9、了晶粒的生長(zhǎng)，增加了陶瓷的致密性，大大改善了壓電性能。特別是，在0.025＜x＜0.045時(shí)，壓電陶瓷KNNSST-x出現(xiàn)了正交相-四方相共存的準(zhǔn)同型相界，并在x=0.035時(shí)，獲得了性能優(yōu)良的的新型壓電陶瓷KNNSST，其中:d33=348pC/N，kp=46％，εr=1316，tanδ=2.6％，Pr=25.8μC/cm2，EC=1.88kV/mm。
　　5.通過添加助熔劑，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)制備，以此來克服高溫制備時(shí)存在鈉、鉀揮發(fā)

10、的缺陷，從而達(dá)到提高KNN陶瓷的致密性和電性能的目的。本項(xiàng)研究采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)技術(shù)，添加適量的CuO作為助熔劑，成功制備了高致密性、高性能的無鉛壓電陶瓷KNNSC。XRD、SEM等現(xiàn)代測(cè)試分析顯示，CuO的適量摻雜，在整個(gè)研究范圍內(nèi)均能形成單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)現(xiàn)任何第二雜相，并能促進(jìn)晶粒均勻生長(zhǎng)和改善陶瓷的燒結(jié)性能。
　　6.低溫?zé)Y(jié)控制A位離子的高溫?fù)]發(fā)，以此獲得陶瓷的優(yōu)良物理性能。本項(xiàng)研究采用傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)，在國內(nèi)外首次

11、以CuO和Na2O作為復(fù)合添加劑，并在較低溫度(1020℃)燒結(jié)條件下，成功制備了KNN基無鉛壓電陶瓷。XRD、SEM等現(xiàn)代測(cè)試分析顯示，以0.01molNa2O作為KNN壓電陶瓷的A位補(bǔ)充時(shí)，KNANTC陶瓷在整個(gè)研究范圍內(nèi)均能形成一個(gè)純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的四方相，并且采用適量CuO的摻雜能促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，提高陶瓷致密性，同時(shí)獲得優(yōu)良的電學(xué)性能。KNANTC壓電鐵電陶瓷的測(cè)試結(jié)果顯示，在x=0.035時(shí)，呈現(xiàn)了一個(gè)優(yōu)秀的電學(xué)性能，其中:d33