稀土和銅摻雜鈮酸鉀鈉鋰無(wú)鉛壓電陶瓷的制備和性能研究.pdf

1、壓電陶瓷是一種可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料。傳統(tǒng)的壓電陶瓷在制備過(guò)程中存在著鉛的揮發(fā),不僅使陶瓷的化學(xué)計(jì)量比偏離,還會(huì)對(duì)環(huán)境造污染。本文選取鈮酸鉀鈉陶瓷體系,采用傳統(tǒng)的制備工藝,在常壓燒結(jié)的條件下制備了(Na0.48k0.47Li0.05)NbO3(簡(jiǎn)作KNLN)無(wú)鉛壓電陶瓷,運(yùn)用X射線(xiàn)衍射、掃描電子顯微分析等分析測(cè)試手段對(duì)摻雜陶瓷微觀(guān)結(jié)構(gòu)和形貌及其變化規(guī)律進(jìn)行表征與研究；運(yùn)用d33測(cè)試儀、阻抗分析儀等測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣品的介電,壓電

2、性能進(jìn)行了測(cè)量和分析關(guān)系,研究了預(yù)燒溫度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)助劑、極化條件和稀土摻雜對(duì)其性能、形貌的影響。
　　 制備工藝與組成同樣重要,它們共同決定了產(chǎn)品的最終性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系壓電陶瓷預(yù)燒溫度取850℃,燒結(jié)溫度在1080℃,極化場(chǎng)強(qiáng)3kV／mm,極化溫度120℃,極化時(shí)間20min時(shí),各項(xiàng)性能得到較佳值,d33=85pC／N,tanδ=0.038,Kp=0.3,ρ=4.2g／cm3。
　　 添加燒結(jié)助劑可以在燒結(jié)

3、過(guò)程中產(chǎn)生液相,可以降低燒結(jié)溫度,但過(guò)多加入會(huì)惡化陶瓷性能。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)摻雜0.01mol％的CuO時(shí),對(duì)陶瓷樣品性能提高最大,d33=102pC／N,tanδ=0.029,Kp=0.35,ρ=4.3g／cm3。
　　 我們采用稀土元素對(duì)KNLN陶瓷進(jìn)行改性研究。系統(tǒng)研究了稀土摻雜含量對(duì)KNLN陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和壓電性能的影響,結(jié)果表明:A位的稀土離子少量加入并沒(méi)有改變陶瓷的相結(jié)構(gòu),體系仍為單一正交相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。少量的摻雜時(shí)晶粒大小變

4、化不大,但過(guò)量時(shí)會(huì)抑制晶粒生長(zhǎng)。隨著摻雜量x的增大樣品的壓電系數(shù)(d33)、平面機(jī)電耦合系數(shù)(kp)和樣品密度(ρ)都呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì),相反介質(zhì)損耗(tanδ)呈現(xiàn)變小后增大的變化趨勢(shì),而介電常數(shù)(εr)呈現(xiàn)一直變大的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)La2O3摻雜量達(dá)到0.25mol％時(shí),具有較好的綜合性能,此時(shí)d33=116pC／N,Kp=0.4,ρ=4.36g／cm3,tanδ=0.024,εr=596；當(dāng)CeO2摻雜量達(dá)到0.35

5、mol％時(shí),具有較好的綜合性能,此時(shí)d33=122pC／N,Kp=0.41,ρ=4.44g／cm3,tanδ=0.024,εr=642；當(dāng)Nd2O3摻雜量達(dá)到0.5mol％時(shí),具有較好的綜合性能,此時(shí)d33=121pC／N,Kp=0.43,ρ=4.42g／cm3,tanδ=0.021,εr=743；當(dāng)Y2O3摻雜量達(dá)到0.5mol％時(shí),具有較好的綜合性能,此時(shí)d33=124pC／N,Kp=0.44,ρ=4.4g／cm3,tanδ=0.0