堿金屬鈮酸鹽納米陶瓷的溶膠-凝膠法制備及性能研究.pdf

1、本論文以環(huán)境友好的堿金屬鈮酸鹽為目標(biāo)體系，以含鈮前驅(qū)溶液為鈮源，應(yīng)用溶膠-凝膠工藝制備得到堿金屬鈮酸鹽粉體及陶瓷，系統(tǒng)地對(duì)粉體的制備工藝、尺寸效應(yīng)和燒結(jié)特性、以及陶瓷體的性能及Mn摻雜進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容可分為以下幾個(gè)部分：
　　 1.開(kāi)發(fā)了一條低成本制備堿金屬鈮酸鹽納米粉體的新工藝：在前期工作基礎(chǔ)上把Nb2O5成功轉(zhuǎn)化為鈮的前驅(qū)溶液來(lái)替代鈮醇鹽用于溶膠-凝膠工藝，該含鈮前驅(qū)溶液具有長(zhǎng)期保存不變質(zhì)、含量易于標(biāo)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)；

2、以一種非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀為中間體模板，采用含鈮前驅(qū)溶液為原料，在550℃成功合成了直徑大約為100～200nm，長(zhǎng)度大約為1～2μm的KNbO3納米棒；采用含鈮前驅(qū)溶液為原料，在500℃的溫度下制備得到平均晶粒尺寸為30nm左右的(Li0.06Na0.47K0.47)NbO3(LNKN(6))納米粉體，其合成溫度比傳統(tǒng)固相法降低了350℃以上。進(jìn)一步在成功制備(LNKN(6))納米粉體基礎(chǔ)上，探索了晶粒尺寸對(duì)通過(guò)粉體相結(jié)構(gòu)的影響：通過(guò)

3、改變煅燒溫度，制備得到了不同晶粒尺寸(30～60nm)的LNKN(6)納米粉體，并研究了其尺寸效應(yīng)。結(jié)果表明：基于納米尺寸效應(yīng)，隨著晶粒尺寸的減小，體系對(duì)稱性升高，在35nm左右，LNKN(6)粉體的相結(jié)構(gòu)由正交相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较唷?br>　　 2.提出了一種簡(jiǎn)易制備(Na0.5K0.5)NbO3(NKN)單晶的新方法：通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，可以有效控制合成粉體的形貌，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)升溫速率為5℃/min時(shí)，制備得到了納米顆粒和納米棒混合的NK

4、N粉體。以該特殊形貌的NKN粉體為前驅(qū)體，采用異常晶粒長(zhǎng)大方法成功制各了毫米級(jí)的NKN單晶材料。當(dāng)燒結(jié)溫度為950℃時(shí)，NKN單晶的尺寸最大，為3mm左右，NKN納米粉體中的尺寸差異是造成異常晶粒長(zhǎng)大的根本原因；探索了納米NKN陶瓷中晶粒尺寸對(duì)其性能的影響：首先控制升溫速率為20℃/min，制備得到了單一顆粒狀，晶粒尺寸為30nm左右的NKN粉體，然后對(duì)該粉體進(jìn)行放電等離子(SPS)燒結(jié)，通過(guò)改變保溫時(shí)間，得到了平均晶粒尺寸分別為40n

5、m和500nm左右的NKN陶瓷。結(jié)果表明：隨著晶粒尺寸的降低，NKN陶瓷的介電常數(shù)降低，介電弛豫性能增強(qiáng)，并且鐵電性能弱化。尺寸降低所引起的納米NKN陶瓷中晶界相所占的比例增高是介電、鐵電性能變化的主要原因。
　　 3.針對(duì)傳統(tǒng)固相法制備NKN陶瓷電學(xué)性能低的不足，在溶膠-凝膠技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)LiNbO3復(fù)合調(diào)節(jié)其正交-四方相轉(zhuǎn)變點(diǎn)結(jié)合錳摻雜調(diào)控其微結(jié)構(gòu)與電疇活性，大幅提升NKN壓電陶瓷的電學(xué)性能：以溶膠-凝膠法制備的Lix(N

6、a0.5K0.5)1-xNbO3(LNKN)納米粉體為原料，采用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，制備了LNKN陶瓷，并對(duì)LNKN陶瓷的正交-四方相轉(zhuǎn)變形為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)LiNbO3含量為10％左右時(shí)，LNKN陶瓷在室溫下為正交相與四方相共存的相結(jié)構(gòu)，此時(shí)LNKN電學(xué)性能最優(yōu)，介電常數(shù)為392，介電損耗為2.8％，壓電常數(shù)d33為169pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)kp為40％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為110。而晶粒尺寸降低引起的陶瓷體微應(yīng)力的變化是LNKN陶