鉭鈮酸鉀鈉無鉛壓電單晶的生長及機(jī)電性能研究.pdf

1、壓電、鐵電材料是一類極為重要的功能材料,其應(yīng)用已遍及人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)各的個(gè)角落。它可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換,在傳感器、超聲波換能器、聲表面波電子器件等機(jī)電器件中都得到了廣泛的應(yīng)用。以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的壓電陶瓷目前在壓電材料領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位,其制備和應(yīng)用技術(shù)極為成熟。然而,這些鉛基壓電材料中鉛含量極高(達(dá)60％以上)。由于鉛為強(qiáng)毒性物質(zhì),并且具有易揮發(fā)性,在其生產(chǎn)、使用和含鉛產(chǎn)品的廢棄處理中都會(huì)對環(huán)境造成污染,破壞人

2、體健康。隨著人們環(huán)保意識的日益增強(qiáng),國際社會(huì)正在積極通過法律、法規(guī)和政府指令等途徑對含鉛產(chǎn)品(包括含鉛電子產(chǎn)品、含鉛玩具等)加以禁止。因此,研究環(huán)境協(xié)調(diào)性能良好的無鉛壓電材料具有極為重要的意義。近幾十年來,國內(nèi)外研究者對無鉛壓電材料進(jìn)行了大量研究,無鉛壓電材料研究體系主要有五類:鈦酸鋇基無鉛壓電材料、鈦酸鉍鈉基無鉛壓電材料、鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電材料、鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電材料和鈮酸鹽基無鉛壓電材料,其中關(guān)于鈮酸鉀鈉(KNN)基無鉛壓電材料有了

3、重大突破。2004年,日本科學(xué)家Y.Saito等人報(bào)道的Ta和Li摻雜的KNN基壓電材料的壓電性能已經(jīng)接近PZT,該報(bào)道引起了人們對KNN基無鉛壓電材料極大的關(guān)注和研究熱情。未來,KNN基無鉛壓電材料具有替代PZT等含鉛壓電材料的潛力。
　　本文首先使用利用頂部籽晶助溶劑法,以過量的K2O作為助溶劑生長出了鉭鈮酸鉀鈉(KNTN)壓電單晶。單晶的制備過程包括原料的預(yù)燒結(jié)、制備籽晶、調(diào)節(jié)籽晶桿、熔料、收徑、放肩、等徑生長和降溫等一系列

4、。研究并改善了KNTN單晶的生長工藝,成功生長出尺寸為10mm×10mm×25mm的質(zhì)量良好的KNTN單晶。對單晶常溫下的組分和晶相進(jìn)行了測量。測試結(jié)果表明生長出的KNTN單晶組分均勻,常溫下處于正交相,沒有其他雜相的生成,形成了比較完整的晶體結(jié)構(gòu)。
　　本文研究了KNTN單晶沿[001]方向極化后的機(jī)電性能與電場強(qiáng)度和溫度的依賴關(guān)系。KNTN單晶的矯頑電場電場和剩余極化強(qiáng)度均較小,容易極化。隨著溫度的升高,單晶在103℃由正交相

5、變成四方相,在260℃由四方相變成立方相。KNTN單晶樣品的介電損耗很小,介電性能較佳。KNTN的最佳極化電壓為1000V/mm,處于該極化電壓時(shí),縱向機(jī)電耦合系數(shù)k33達(dá)到0.56,壓電應(yīng)變系數(shù)d33達(dá)到140×10-12C/N。KNTN單晶的最佳工作溫度范圍為常溫至90oC,在這個(gè)溫度范圍內(nèi)其壓電性能比較穩(wěn)定。當(dāng)溫度為100oC到110oC之間時(shí),KNTN單晶的由正交相轉(zhuǎn)化為四方相,在相變點(diǎn)附近,兩種鐵電相共存,縱向機(jī)電耦合系數(shù)k3

6、3和壓電應(yīng)變系數(shù)d33均達(dá)到最大值。當(dāng)溫度高于110oC時(shí),正交相完全轉(zhuǎn)化為四方相,d33值下降。通過對KNTN單晶機(jī)電性能與電場強(qiáng)度和溫度的依賴關(guān)系的研究,可以為KNTN壓電單晶性能的理論研究和其實(shí)際應(yīng)用(包括工作環(huán)境和應(yīng)用可靠性)給出參考。
　　本文利用超聲-共振聯(lián)合法給出了常溫?zé)o偏壓條件下KNTN單晶自洽的全套宏觀機(jī)電參數(shù)。超聲-共振聯(lián)合法具有需要制備的標(biāo)準(zhǔn)樣品少,精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)。制作出的d31、d33、d15、kt壓電振子

7、均滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn),另外制作出來的3個(gè)方片切型的標(biāo)準(zhǔn)樣品被用于超聲聲速測量。根據(jù)XRD圖譜,KNTN單晶常溫下表現(xiàn)為mm2點(diǎn)群對稱性,在沿[001]方向極化后,單晶表現(xiàn)為4mm點(diǎn)群對稱性,具有11個(gè)獨(dú)立的宏觀機(jī)電產(chǎn)參數(shù)。本論文完成了18個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn),多余的實(shí)驗(yàn)參數(shù)被用來驗(yàn)證全矩陣的自洽。KNTN單晶具有良好的壓電性能,常溫?zé)o偏壓條件下,d33為140×10-12C/N,d15為69×10-12C/N,,d31為-56×10-12C/N。