鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的制備和摻雜改性.pdf

1、壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的一類重要功能材料,有著廣泛的應(yīng)用。壓電材料包括壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子材料以及復(fù)合材料等。其中,壓電陶瓷材料由于具有制備工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)成本低的特點(diǎn),尤其是鋯鈦酸鉛基陶瓷材料(簡(jiǎn)稱PZT)因其優(yōu)異的壓電性能以及組分可調(diào)節(jié)性的優(yōu)點(diǎn),數(shù)十年來(lái)一直占據(jù)著壓電材料的主要市場(chǎng)。但是,PZT的制備需要使用大量的含鉛氧化物作為原料,在生產(chǎn)、使用及廢棄后的處理過(guò)程中都會(huì)給人類及生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此,發(fā)展無(wú)鉛

2、環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷是一項(xiàng)緊迫且具有重大現(xiàn)實(shí)意義的課題。為獲得一種性能極佳的無(wú)鉛壓電陶瓷,本文系統(tǒng)地研究了(1-x)(Na0.5K0.5)NbO3-x(Bi0.5Na0.25K0.25)TiO3(簡(jiǎn)稱為KNN-BNKT)無(wú)鉛壓電陶瓷的不同組分差異、燒結(jié)特性、壓電性能、機(jī)電性能和介電性能。分析了組成、燒結(jié)和極化工藝等因素對(duì)陶瓷的影響,探索了鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀體系陶瓷的最佳制備工藝與極化處理?xiàng)l件。
　　第一部分采用傳統(tǒng)陶瓷制備方法制備

3、了(1-x)KNN-xBNKT體系無(wú)鉛壓電陶瓷,研究了不同BNKT含量對(duì)(1-x)KNN-xBNKT無(wú)鉛壓電陶瓷材料的密度、相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。X射線衍射(XRD)結(jié)果表明,(1-x)KNN-xBNKT陶瓷在BNKT含量x=0.03~0.06時(shí)具有單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),說(shuō)明BNKT的離子完全擴(kuò)散進(jìn)入KNN晶格中,形成了一種新的固溶體。隨著BNKT含量的增加,該陶瓷體系逐漸由純KNN的正交相向四方相過(guò)渡,當(dāng)BNKT含量為0.06

4、時(shí),(1-x)KNN-xBNKT陶瓷體系又有向贗立方相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。通過(guò)掃描電鏡(SEM)分析得知,(1-x)KNN-xBNKT無(wú)鉛壓電陶瓷體系的顯微結(jié)構(gòu)也由于BNKT含量的不同而表現(xiàn)出很大差異。結(jié)合對(duì)(1-x)KNN-xBNKT陶瓷電學(xué)性能的分析,得到了綜合性能比較好的無(wú)鉛壓電陶瓷0.97(Na0.5K0.5)NbO3-0.03(Bi0.5Na0.25K0.25)TiO3(簡(jiǎn)稱為KNN-BNKT-3):d33=124pC/N,kp=0.

5、28,Qm=27。
　　第二部分研究了KNN-BNKT-3陶瓷的燒結(jié)和極化工藝。在燒結(jié)工藝中,升溫速率對(duì)陶瓷相結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響,但是對(duì)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和壓電性能有很大影響。隨著升溫速率的增加,由于粉體團(tuán)簇的原因,陶瓷的晶粒逐漸變大,晶粒間交接更為緊密,晶界也變得非常清晰,并確定其最佳升溫速率為5℃/min。通過(guò)對(duì)不同燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下的KNN-BNKT-3陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及壓電性能的分析,得到其最佳燒結(jié)溫度為1120℃,最佳保溫時(shí)間為