高Q-,m-鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷物理性能的研究.pdf

1、壓電材料是一類實現(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的重要功能材料，被廣泛的應(yīng)用于諧振器、濾波器、壓電變壓器、傳感器、超聲換能器等功能器件中。鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料（簡稱PZT陶瓷）憑借其優(yōu)異的壓電性能、簡單的制備工藝、低廉的成本造價，數(shù)十年來一直占據(jù)著壓電材料的主導(dǎo)地位。然而PZT陶瓷中的含鉛量高達(dá)60％以上，在燒結(jié)過程、使用和廢棄過程中會產(chǎn)生重金屬污染，危害人類的健康。前幾年，歐盟頒布了WEEE/RoHS/ELV法案，在世界范圍內(nèi)引發(fā)了一場電子產(chǎn)

2、品的無鉛化革命。因此，探索壓電陶瓷的無鉛化和環(huán)境協(xié)調(diào)性、尋找PZT陶瓷的替代材料成為一項緊迫任務(wù)，具有重大的現(xiàn)實意義。
　　 堿金屬鈮酸鹽(KNN陶瓷)壓電陶瓷具有鐵電性強(qiáng)、壓電性能高和居里溫度高等優(yōu)點，是最有希望替代PZT壓電陶瓷的一類無鉛壓電陶瓷材料。但是目前文獻(xiàn)報道的KNN系無鉛壓電陶瓷多數(shù)屬于“軟”性壓電陶瓷，而且一般應(yīng)用在高頻器件、濾波器、致動器上的壓電陶瓷應(yīng)該是“硬”性壓電陶瓷，不單要具有一定的壓電常數(shù)d33和較高的

3、機(jī)電耦合系數(shù)kp，還要具有較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，較低的介電損耗。目前單純的KNN基無鉛壓電陶瓷無法同時滿足這些要求，因此本論文以高Qm，低損耗的KNN基壓電陶瓷摻雜改性為主要內(nèi)容，系統(tǒng)地研究了其微觀形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、介電和壓電等方面的物理性質(zhì)，并簡單的解釋了其物理機(jī)制。
　　 本論文開始通過傳統(tǒng)的固相反應(yīng)制備了KNN-KCT體系無鉛壓電陶瓷。首先以固定的組分KCT(0.5moI％)來摻雜，通過改變鉀鈉比例來研究其壓電介電性能，得到了

4、最佳的鉀鈉比例為0.5，其各項性能為：相對密度為98.5％，Qm值可達(dá)1980，介電損耗為0.3％，d33為95，kp為40％。其次，在鉀鈉比例為0.5的基礎(chǔ)上，改變KCT的摻雜量來研究KNN-KCT體系陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)、介電性能、壓電性能。發(fā)現(xiàn)最佳的摻雜量為0.75m01％，樣品的各項性能為：Qm為2350，損耗為0.4％，d33-kp分別為95pC/N和0.40。這種結(jié)果的原因應(yīng)該是Cu2+離子對KNN的B位Nb5+離子的取代，致

5、使材料內(nèi)部為了維系晶格結(jié)構(gòu)的電學(xué)平衡產(chǎn)生氧空位，此時取代Nb5+位置的Cu2+與氧空位形成一種缺陷偶極子，從而抑制了KNN晶格內(nèi)部的極化偏轉(zhuǎn)，使材料性能向硬性發(fā)展。
　　 本論文進(jìn)一步通過固相反應(yīng)制備了KNN-0.75mol％ KCT-xmol％ Bi203陶瓷，系統(tǒng)地研究了Bi203對KNN-0.75moI％ KCT陶瓷物理性能的影響。在x=0.1到0.5范圍內(nèi)，隨著摻雜量的增加，陶瓷的d33和kp顯著地提高。此種現(xiàn)象的原因應(yīng)

6、該有兩個可能：一是摻雜致使陶瓷致密化，提高了陶瓷的燒結(jié)特性；另一個是Bi3+離子對K+、Na+的取代，使陶瓷中產(chǎn)成了A位空位，而A位空位能夠釋放非180O電疇重新取向帶來的應(yīng)力，在極化過程中使非1800電疇能夠更容易、更充分的完成偏轉(zhuǎn)，從而提高陶瓷的壓電性能。而陶瓷Qm隨著Bi203的摻雜，并沒有出現(xiàn)“硬化”現(xiàn)象。摻雜Bi203后，樣品的損耗有所升高，由原來的0.5％左右增加到2％左右，而Qm大幅度的下降，由原來的2000以上下降到了2