高兰芳[1]2008年在《BaTiO_3-Bi_（0.5）Na_（0.5）TiO_3系无铅压电陶瓷的制备及性能研究》文中进行了进一步梳理压电陶瓷因其在压电激励器、传感器、变频器方面的应用成为一种重要的材料。目前,正在广泛使用的压电陶瓷的配方主要是以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基材料,具有毒性的铅在烧结过程中很容易挥发,给人类及生态环境带来严重危害。因此,实现压电陶瓷的无铅或少铅化生产已成为一项非常重要和迫切的任务。近十几年来,无铅、少铅压电陶瓷的研究已成为国内外研究热点。目前,主要的无铅压电陶瓷体系有BaTiO_3(BT)、Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(BNT)、Bi层结构及铌酸盐基压电陶瓷。在这些无铅压电陶瓷体系中,Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3(BNT-BT)系陶瓷是目前所报道的最有前景的压电陶瓷材料。对于BNT-BT体系的研究,国内外已开展了相当多的研究工作,但关于此体系的报道多集中在准同型相界(MPB)附近的组分,而靠近BaTiO_3的组分则很少报道。有关BT-BNT系陶瓷固溶体从MPB组分到富BT组分配比的性能变化规律的资料还很少。本文采用液相包覆法进行了不同Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3含量的(1-x)BaTiO_3-xBi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(记为BT-BNT100x)(x=0.01～0.96)系无铅压电陶瓷的制备研究,并对材料的微观结构、介电性能和压电性能进行了系统研究。研究了(1-x)BaTiO_3-xBi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3陶瓷的制备工艺,并分析不同配比样品的性能,寻求最佳Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3的加入量,并探究了(1-x)BaTiO_3-xBi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3压电陶瓷性能随BNT加入量的变化规律。研究结果表明,所有陶瓷均形成了单一的钙钛矿结构,晶体结构和微结构随BNT含量的增加逐渐变化。居里温度随BNT含量的增加而升高,由BT-BNT1的118℃增至BT-BNT90的244℃,且随BNT含量的增加,陶瓷呈现弥散相变特征。BNT含量为20～90mol%的陶瓷都有相对低和稳定的介电损耗,压电常数(d_(33))随BNT含量的增加,在BNT为90mol%时达到最大,为125pC/N,然后又趋于减小。当Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3加入量为90mol%时,样品具有优异的介电、压电性能,各性能参数如下:T_c=244℃,ε_r=2180,tanδ=0.0557,d_(33)125pC/N,k_p=0.164,k_t=0.237,Q_m=51,N_p=2450。以性能最优的BT-BNT90陶瓷体系为基础,进行了掺杂改性研究,包括(Bi,Na)非化学计量改性,Zr掺杂改性,K、Li掺杂改性,多元素共掺杂改性以及Mn掺杂改性。研究各种掺杂对其结构、介电和压电性能的影响,并分析其掺杂改性机理。(Bi,Na)非化学计量改性的研究结果表明,当(Bi,Na)过化学计量时,陶瓷样品的d_(33)在125pC/N上下波动,当(Bi,Na)多加0.1mol%时,d_(33)有大的提升,达到142pC/N。当(Bi,Na)缺化学计量时,陶瓷样品的d_(33)也大都在125pC/N上下波动。当(Bi,Na)少加0.08mol%时,d_(33)有大的提升,达到144pC/N。Zr掺杂改性的研究结果表明,适当的Zr掺杂,可有效改善陶瓷的压电性能。当Zr的加入量为0.055和0.060mol时,陶瓷的d_(33)均达到150pC/N。当Zr加入量为0.055mol时,样品具有较优的压电性能:d_(33)=150pC/N,k_p=0.189,k_t=0.200,Q_m=50.7,ε_(33)~T/ε_0=1246。K、Li掺杂改性的研究结果表明,随Li加入量的增加,d_(33)先升高后降低,在Li的含量为0.075mol时,达到最大,为140pC/N。Q_m和N_p具有与d_(33)相似的变化趋势。共掺杂改性的研究结果表明,d_(33)有所升高,但幅度不大。当(Bi,Na)多加0.1mol%、Zr加入量为5.5mol%、K加入量为6mol%、Li加入量为10mol%时,d_(33)达到最大值,为154pC/N。Mn掺杂改性的研究结果表明,压电常数d_(33)、机电耦合系数(k_p,k_t)随着锰离子含量的增加而降低。当x≤0.3wt%时,相对介电常数ε_(33)~T/ε_0、介电损耗tanδ随着锰离子添加量的增多而减小,而机械品质因素Q_m和频率常数N_p增大,表现为典型的“硬性添加物”掺杂特征。但是,过多锰离子的掺入会使体系性能恶化。当x≥0.3wt%时,Q_m大大降低,介电常数减小,介电损耗增加。
魏敏先[2]2008年在《NBT-KBT-BT无铅压电陶瓷的研究》文中进行了进一步梳理压电陶瓷是一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料。传统的压电陶瓷在制备过程中存在着铅的挥发，不仅使陶瓷的化学计量比偏离，还会对环境造成污染。钛酸铋钠(Na_(0．5)Bi_(0．5))TiO_3(NBT)是一类钙钛矿型的A位离子复合取代铁电体，其居里温度为320℃，在室温下具有很强的铁电性，被认为是无铅压电陶瓷中最有希望的候选材料之一。本论文以NBT为基体陶瓷组元，引入钛酸铋钾(Bi_(0．5)K_(0．5))TiO_3(KBT)、钛酸钡BaTiO_3(BT)组成NBT-KBT-BT叁元系压电陶瓷。采用传统电子陶瓷制备工艺制备该系陶瓷，利用XRD、SEM等现代测试分析手段，研究了NBT、KBT、BT叁者组成、制备工艺条件、掺杂改性等对该叁元系压电陶瓷物相组成，显微结构以及压电、介电性能的影响。以NBT-KBT-BT叁元系统相图为基础，其准同型相界区域的陶瓷组成概括为数学式：z[(1-x)NBT-xBT]-(1-z)[(1-y)NBT-yKBT]。采用正交试验法，以x、y、z及预烧温度作为试验因素，得到陶瓷最佳组成为：0．85NBT-0．144KBT-0．006BT，预烧温度为870℃。1160℃烧结时性能最好，d_33=142pC／N、tanδ=4．1％、ε_r=1268。制备工艺与组成同样重要，它们共同决定了产品的最终性能。预烧温度对粉体的物相组成和材料性能有重要的影响，预烧温度过低，不能合成单一的钙钛矿型固溶体，预烧温度过高会使陶瓷粉粒过度结晶，降低烧结活性，削弱烧结推动力，恶化陶瓷性能，预烧温度取890℃较为合适。该系无铅压电陶瓷的烧结温度范围较窄，烧结温度在1160℃时，各项性能较佳，主要性能参数为：d_33=144pC／N、tanδ=4．0％、ε_r=1058。保温时间所起的作用不如烧结温度的作用显着，本试验确定保温时间为2h，延长保温时间可以促进晶粒的生长。极化场强4kV／mm，极化温度80℃，极化时间10min时，可使陶瓷样品获得较佳的压电性能。提高极化场强、延长极化时间，适当提高极化温度都可改善陶瓷的压电性能，但过高的极化温度(T≥100_)会导致陶瓷的压电性能降低。以La_2O_3、MnCO_3、Sb_2O_3、CeO_2为添加物对该叁元系陶瓷进行掺杂改性。随着La_2O_3掺杂量的增加，d_33先增大后减小，tanδ先增大后减小然后再增大，而ε_r一直增大。当La_2O_3的掺杂量为0．4wt％时，d_33=151pC／N、取得最大值，此时，tanδ=4．2％，ε_r=1543。MnCO_3起到典型的“受主”添加物的作用，掺杂MnCO_3后陶瓷的d_33、tanδ和ε_r都降低了。当MnCO_3的掺杂量为0．3wt％时，d_33=124pC／N、tanδ=3．3％、ε_r=928。随着Sb_2O_3掺杂量的增加，d_33先增大后减小，tanδ和ε_r一直增大。当Sb_2O_3的掺杂量为0．1wt％时，d_33=148pC／N、ε_r=1516、tanδ=4．2％。当Sb_2O_3的掺杂量超过0．3wt％后，d_33急剧变小。随着CeO_2掺杂量的增加，d_33和ε_r都先升高后降低，而tanδ一直减小。当CeO_2的掺杂量为0．1wt %时，d_33=156 pC／N、ε_r=1364、tanδ=3．8％，当CeO_2的掺杂量为0．5wt％时，tanδ可以减小到2．1％。
袁颖[3]2004年在《功能陶瓷超微细粉体的制备及应用研究》文中认为本论文以功能陶瓷超微细粉体的制备及应用为研究目的,选取了当今功能陶瓷领域具有代表性的叁种材料为主要研究内容。这叁种材料分别为介质陶瓷与半导体陶瓷基础材料BaTiO_3、高温光学功能陶瓷材料MgAl_2O_4及Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基无铅压电陶瓷材料。 针对目前国内工业化生产BaTiO_3粉体的草酸盐共沉淀法技术缺陷,系统地研究了反应物Ba/Ti摩尔比、合成温度、合成介质环境、合成的PH值、合成方法等工艺条件对产物BaTiO_3粉体纯度、Ba/Ti摩尔比及介电性能的影响,并从中优选出最佳合成条件。按照最佳合成条件合成的BaTiO_3粉体有害杂质少,纯度高达99.8wt%以上;一次粒子形貌近似球形,平均粒径约0.1～0.2μm;产物Ba/Ti摩尔比可在0.998～1.002之间加以控制。应用本研究改进的草酸盐共沉淀法制备的纯BaTiO_3陶瓷样品,其室温介电常数不低于4000,介质损耗小于1.0%。利用介电温谱、XRD、SEM、TEM分析手段研究了微米掺杂、液相掺杂与纳米粉体掺杂对BaTiO_3-Nb_2O_5-Co_3O_4体系X7R介质材料介电性能、烧结行为、微观结构与晶体结构的影响,并采用纳米粉体掺杂技术制备了室温介电常数大于5000,介质损耗低于1.5%的高性能X7R介质材料。 在MgAl_2O_4粉体合成与透明MgAl_2O_4尖晶石陶瓷材料研究方面,本论文采用多糖外凝胶法与改进的单醇盐溶胶-凝胶法在较低煅烧温度条件下获得了具有单一尖晶石相、超微细的MgAl_2O_4粉体。采用IR、DTA/TG、XRD、TEM分析手段,研究了前驱体凝胶结构、粉体合成过程中的化学过程、粉体的晶体结构及显微形貌等。利用单醇盐溶胶-凝胶法合成的MgAl_2O_4粉体,制备了具有一定透过率的MgAl_2O_4透明陶瓷,其在紫外波段的最高透过率为64%左右。采用紫外光谱仪、电光分析天平分别测定了所制备透明陶瓷的透过率、体积密度及吸水率。 针对ABO_3型A位复合钙钛矿结构铁电体Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(简写为BNT),采用传统氧化物固相法与Pechini法合成了BNT粉体,用其制备了无铅压电陶瓷材料;通过BNT陶瓷的介电、压电、铁电性能测试与微观结构分析,研究了Bi~(3+)过量与BNT陶瓷微观结构及性能的关系;通过对BNT的A、B位离子复合取代,采用传统陶瓷工艺制备了二种新型BNT基无铅压电陶瓷;用XRD、SEM分析手段研究了这两种陶瓷的晶体结构、微观结构与组成的关系;测定了陶瓷的介电、压电、铁电性能参数,系统地研究了这些体系的组成与性能的关系,确定了体系最优的组成范围;通过测试介电常数、介电损耗与温度的关系曲线及不同温度条件下的电滞回线,分析讨论了这二种BNT基无铅压电陶
张昌松[4]2005年在《NBT-KBT无铅压电织构陶瓷制备及其电性能研究》文中研究表明随着世界各国对环境保护的重视，势必采用无铅的压电材料来替代传统的含铅压电陶瓷材料，以减少环境污染，因此压电陶瓷的无铅化就成为压电陶瓷发展的趋势。本文选择钛酸铋钠—钛酸铋钾(NBT-KBT)无铅陶瓷研究体系，采用RTGG(Reactive Templated Grain Growth)法以Bi_4Ti_3O_(12)微晶为模板制备NBT-KBT无铅压电织构陶瓷，主要研究模板材料的选择与制备工艺、织构陶瓷的成型设备与方法、NBT-KBT陶瓷的显微组织结构和电性能之间的关系等，制备出电性能良好、各向异性显着的NBT-KBT无铅压电织构陶瓷。 论文结合RTGG和TGG(Templated Grain Growth)的工艺特点，分析了制备织构陶瓷微晶模板的选择原则，确定了适用于制备NBT-KBT织构陶瓷的模板种类，通过对几种满足模板选择原则的典型模板材料进行逐个分析，最终确定出了具有高的生长各向异性的Bi_4Ti_3O_(12)微晶作为制备NBT-KBT织构陶瓷的模板；通过对现有陶瓷成型工艺方法的比较，选择出适用于制备织构陶瓷的成型工艺方法，同时自行研制了实验室用于制备织构陶瓷的设备，该设备目前已申报国家实用新型专利(申请号：200520078348．9)。 采用熔盐法制备了Bi_4Ti_3O_(12)微晶粉体，研究了制备工艺参数与Bi_4Ti_3O_(12)微晶的形貌和尺寸之间的关系。结果表明，Bi_4Ti_3O_(12)微晶粉体的显微组织形貌和尺寸与烧结温度、熔盐量、保温时间等工艺参数关系密切。在发现Bi_2O_3的过量加入对Bi_4Ti_3O_(12)微晶粉体的形貌起了决定性的作用后，系统的研究了Bi_2O_3过量的程度和制备工艺参数对Bi_4Ti_3O_(12)微晶粉体显微组织形貌的影响，最终实现了通过工艺参数的设定对其显微组织形貌和尺寸的控制。采用熔盐法成功地制备了适合流延工艺要求的纯Bi_4Ti_3O_(12)微晶，微晶尺寸均匀，分散性好，直径与厚度比大，直径为8～10μm，厚度为1～2μm。采用此粉体制备了Bi_4Ti_3O_(12)陶瓷，研究了该陶瓷的电性能与工艺参数之间的关系，结果显示该陶瓷已经显示出了各向异性的特性。 采用传统方法制备出NBT-KBT陶瓷，确定了其准同型相界，而组分为0.84NBT-0.16KBT的陶瓷位于准同型相界附近，且具有较佳的压电性能；以0.84NBT-0.16KBT组分为研究对象，研究基体中加入不同量Bi_4Ti_3O_(12)微晶烧结后所制备NBT-KBT陶瓷的显微组织结构与电性能，优化了烧结工艺的同时确定出Bi_4Ti_3O_(12)微晶的最佳加入量。 分别采用干法和湿法两种流延方法和RTGG工艺制备了NBT-kBT织构陶瓷，研究了烧结温度对织构陶瓷烧结行为、织构度和显微组织结构的影响规律，制备出了NBT-KBT织构陶瓷，解决了湿法流延中烧结后样片的变形问题。结果表明：NBT-KBT织构陶瓷的烧成温度范围只有10～20℃，其介电性能、压电性能和铁电
厚娜[5]2010年在《NBT基无铅压电陶瓷制备及性能研究》文中认为随着电子技术和产业的发展,压电材料已广泛应用于集成电路、自动控制、精密控制、通信技术等高新技术领域。钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,简称NBT)是典型的A位复合钙钛矿结构弛豫性铁电体,被认为是最具发展潜力的无铅压电陶瓷。在本论文中,采用传统电子陶瓷工艺制备了(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3体系无铅压电陶瓷,研究了预烧温度对陶瓷物相结构、介电性能的影响；并对其进行掺杂改性研究,分析掺杂元素对组成在准同型相界处的(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷样品的微观形貌、及性能的影响,并基于实验探究了不同组成的陶瓷样品的介电弛豫特性。合理的工艺参数是保持获得性能优良的致密陶瓷的前提条件。本文从粉体预合成温度方面,研究不同的工艺参数对(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3陶瓷物相组成和介电性能的影响,得到以下结论：①(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO粉体的预合成温度对粉体的晶相组成有重要影响,温度太低不能形成单一的钙钛矿结构,太高则会影响陶瓷的致密度。在x<0.06时,合理的预烧温度为850℃；x=0.06时,预烧温度需900℃；x>0.06,预烧温度需950-C以上。②在900℃预烧温度下,(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷样品,介温特性良好,并且该组分介电损耗最小。③(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO的介电性能随着预烧温度的提高而提高。研究了La203掺杂对(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷物相结构及介电和压电性能的影响,运用XRD、SEM等分析测试手段对陶瓷样品微观结构和形貌进行表征与研究；运用准静态测量仪、阻抗分析仪等仪器对陶瓷样品的电学性能进行了测量和分析,得到以下结论：①经XRD和SEM分析,可知在x取值范围内,所有样品都呈现单一的钙钛矿结构,La3+可以完全进入(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3晶格中形成固溶体,且陶瓷依然是叁方-四方共存的晶体结构,掺杂少量的La203可以改善的(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TIO3陶瓷的微观组织；②在(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3-xLa2O3陶瓷样品的铁电-反铁电介电峰附近,频率色散、弥散相变显着,这是因为La3+的进入增加了A位的无序度,导致了该体系弛豫性增强。③随着掺杂量的增加,A空位的数目增多,削弱了A位阳离子与B06八面体间的耦合作用,长程库伦作用力被破坏,铁电宏畴的稳定性降低,铁电-反铁电介电峰向低温侧移动,最终在室温下表现出弛豫铁电体特征。④当La203掺杂量较低时,介电常数随着掺杂量的增加呈现增大趋势,表现出“软掺杂”的特性,当其掺杂量较高时,介电常数则迅速下降。La203的增多提高了A位的无序度,在室温下已有反铁电相出现,反铁电区域的出现使得自发极化下将,导致了介电常数的下降,这同时也是样品的压电常数急剧下降的根本原因。
王胜利[6]2011年在《BNT基无铅压电陶瓷的性能、参数及工艺研究》文中研究表明本文从材料的重要性、分类、发展前景及发展趋势入手,重点阐述了压电效应及其形成压电效应的必备条件,简单地介绍了压电陶瓷的铁电性、电畴。并深入地探讨了陶瓷的铁电性随外电场的变化规律以及电畴的形成机理。重点解释了比较常见的五种极化形式,如自发极化,谐振式极化,空间极化,松弛极化,位移式极化,并比较了这五种极化形式的异同,同时探索了形成这些极化的条件。并细致地分析与研究了压电常数、机电耦合系数、频率常数、介电损耗、机械品质因数等重要的参数以及影响这些参数性能的主要因素。众所周知,尽管应用比较广泛的锆钛酸铅(PZT)及其复合压电陶瓷可以很好地满足人类需要,但是,该类铅基压电陶瓷存在以下不足；其一,氧化铅在800℃左右极易挥发,其二,铅基压电陶瓷在制备,使用及废弃物处理过程中极易对人体造成伤害。本文从铅基压电陶瓷的研究现状及存在的突出问题着手,目的是为了引出研究环境协调性无铅压电陶瓷(环境协调性压电陶瓷是指既满足人类生活所需,又无污染环境)的现实意义,然后简明扼要地综述了四种比较活跃的无铅压电陶瓷,如钛酸钡(BaTiO3)、铋层状结构、碱金属铌酸盐系及钨青铜结构。并对这四种无铅压电陶瓷的压电性、介电性、声学性能等做了简单地介绍,同时也对这四种无铅压电陶瓷的优势与不足加以对比,简要地分析了每种压电陶瓷的实用范围,科学地预测了各种压电陶瓷的应用前景。第二章说明Bi0.5Na0.5TiO3无铅压电陶瓷是A位复合取代的钙钛矿型铁电体。并细致地研究了BNT无铅压电陶瓷的结构。重点研究了Bi0.5Na0.5TiO3无铅压电陶瓷的改进机理,取代方法及取代原则,掺杂途径、掺杂物的容限因子,形成准同型相界的条件,剩余极化强度,准同型相界,矫顽场,热稳定性等。同时探讨了制备BNT基无铅压电陶瓷的常用方法,如固相法,水热法,溶胶-凝胶技术,熔盐法,还对各种工艺的优劣加以比较。于此同时也对Bi0.5Na0.5TiO3无铅压电陶瓷的不足与亟待解决的基本问题做了简要地表述。第叁章重点研究了制备BNT基无铅压电陶瓷的工艺流程及各个环节的注意事项,同时介绍了各种参数的测试方法,如密度(称量法,阿基米德定律法,比重杯法),线收缩率,平面机电耦合系数,自由介电常数,介电损耗,机械品质因数,压电常数等参数的测量方法及其步骤。同时也介绍了电畴观察法、Sawyer Tower电路示波器观察电滞回线突变法确定居里温度的方法、机理及其步骤。并从BNBT6无铅压电陶瓷的密度、伸缩率、压电、介电性能、品质因数、介电损耗等角度分析了预烧温度与烧结温度对它们性能的影响,综合考虑预烧温度为900℃比预烧温度为850℃所得的BNBT6无铅压电陶瓷的压电性能更好。经试验证实,预烧温度为900℃,烧结温度为1160℃时,BNBT6无铅压电陶瓷的压电、介电性能最好。其参数d33=120pC/N,KP=0.202,εr=625,Qm,=205,tan 6=2.1。因为稀土元素具有半径比较大,容易形成A空位,化学性能稳定,极化率高等优势。因而本文采用性能良好的稀土元素CeO2掺杂性能良好的BNBT6无铅压电陶瓷,并探索了预烧温度为890℃,烧结温度为1190℃时,掺杂量从0.2%-1%变化时,BNBT6无铅压电陶瓷的压电常数,机电耦合系数,介电损耗,品质因数,相对介电常数随CeO2掺杂量的变化。
刘益雄[7]2011年在《K_(0.5)Na_（0.5）NbO_3基于铅压电陶瓷的制备与改性研究》文中提出无铅压电材料由于具有环境友好特性,有望取代已被广泛使用的铅基压电材料,因而备受人们关注。在众多无铅压电材料当中,(KNN)基无铅压电陶瓷具有居里温度高、机电耦合系数大、压电常数大等优点,是目前研究最为广泛的、被认为是最有希望取代铅基压电陶瓷的候选材料之一。然而,相对于以Pb(Ti,Zr)O3为代表的铅基压电陶瓷,KNN基无铅压电陶瓷的压电性能相对较低。近年来,KNN基陶瓷的电学性能已有了显着提高,然而,如何进一步提高该类材料的压电性能尤其是机械品质因数,并改善材料性能的温度稳定性,成为此类材料当前亟待解决的问题。本研究利用Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)、LiSbO3(LS)、NaTaO3(NT)、CuO等组分对KNN陶瓷进行改性,以液相包覆—热反应工艺制备成分、粒径均一的陶瓷粉体,采用固相烧结法制备(1-x)(0.96K0.5Na0.5NbO3-0.04LiSbO3)-xBi0.5Na0.5TiO3 (KNN-LS-BNTx,0≤x≤0.02)、(1-x)(0.99K0.5Na0.5NbO3-0.01Bi0.5Na0.5TiO3)-xLiSbO3 (KNN-BNT-LSx,0≤x≤0.10)、(1—x) (KNN-BNT-LS0.05)-xNaTaO3(KNN-BNT-LS-NTx,0≤x≤0.10)以及KNN-BNT-LS-NT-CuOx(0≤x≤2.0)系列压电陶瓷,通过对陶瓷样品进行X射线粉晶衍射分析(XRD)、扫描电镜表征(SEM)以及铁电、介电、压电等性能的检测,研究BNT、LS、NT以及CuO的掺入对KNN基压电陶瓷的晶体结构、微观形貌、铁电、介电、压电性能的影响规律,探讨化学成分、显微结构与性能之间相互作用的机理。研究采用BNT、LS对KNN进行复合掺杂改性,分析探讨BNT、LS对KNN陶瓷的微观结构与介电、压电性能的影响。研究结果表明,BNT、LS的掺入明显改变了KNN陶瓷的晶体结构,促使陶瓷的居里温度Tc和斜方-四方相变温度TO-T往低温方向移动。在KNN-BNT-LSx体系陶瓷中,当LS的掺入量在3-4 mol%时,陶瓷在室温附近存在斜方一四方的多型相变(PPT)；而当LS的掺入量大于6 mol%时,陶瓷中出现了次晶相K3Li2Nb5O15和LiSbO3。在室温附近具有PPT的陶瓷中,其压电性能达到最佳值,当BNT、LS的掺入量分别为0.96 mol%、4 mol%时,陶瓷的压电常数d33达最大值250 pC/N,此时陶瓷的相对自由介电常数εT/33/ε0为640,介电损耗tanδ为0.031,机电耦合系数kp、kt分别为0.294、0.352,而机械品质因数Qm较小,仅为33.3。以KNN-BNT-LS陶瓷为基础,通过引入NT组分来提高陶瓷的机电耦合系数与陶瓷性能的温度稳定性,研究NT对陶瓷的晶体结构、微观形貌、铁电、介电、压电性能的影响。结果表明,NT的掺入减弱了KNN基陶瓷晶粒的四方相特征,晶胞参数c、c/a、晶胞体积等值逐渐降低。陶瓷晶粒随NT的掺入明显长大,晶粒堆积紧密,陶瓷的致密度明显提高。随着掺入量x的增大,KNN-BNT-LS-NTx陶瓷的Tc和TO-T往低温方向移动,陶瓷的剩余极化强度Pr明显降低,矫顽场Ec先增大后降低,铁电性能减弱,而陶瓷的介电、压电性能整体呈现先增大后降低的趋势。当NT的掺入量达到6 mol%时,陶瓷的TO-T被降低至室温以下,陶瓷的ε33/T/ε0增大到1604,kp、kt提高至0.442、0.426,此时陶瓷的d33、tanδ、Qm、Pr、Ec分别为249 pC/N、0.023、51、17.3μC/cm2、16.1 kV/cm。以提高KNN基陶瓷的机械品质因数并改善陶瓷的综合电学性能为目的,选用CuO对KNN基陶瓷开展掺杂改性研究,研究CuO对陶瓷微观结构与电学性能的影响。结果表明,CuO的掺入逐渐减弱了KNN基陶瓷晶粒的四方相特征,促使陶瓷的相变温度TO-T往高温方向移动,出现四方相向斜方相的转变。在KNN-BNT-LS-NT-CuOx陶瓷中,当CuO的掺入量达到1.5 mol%时,陶瓷中出现了次晶相K4CuNb8023等物质。CuO的掺入促进了陶瓷晶粒的均匀细化,晶粒棱角逐渐消平,晶粒平均粒径减小。随着CuO掺入量的增大,陶瓷的Qm值显着增大,而陶瓷tanδ等值逐渐降低。当CuO的掺入量为1.5 mol%时,陶瓷的Qm达到166,tanδ降低至0.0135,此时陶瓷的d33、ε33T/εo、Κp、Κt、Pr、Ec分别为183 pC/N、1300、0.404、0.388、11.2μC/cm2、11.2kV/cm,陶瓷的综合电学性能得以改善。
刘楠[8]2009年在《铌酸钾钠无铅压电陶瓷的水热制备和放电等离子烧结》文中提出压电陶瓷是重要的功能材料,广泛用于谐振器、滤波器、传感器等多种功能器件。半个多世纪以来,占主导地位的压电陶瓷是以锆钛酸铅(PZT)为代表的含铅压电陶瓷。但是,PZT中铅的含量超过60%,在其生产和废弃处理过程中会对人体和环境造成很大危害。基于环境保护的考虑,人们一直在寻找可以替代PZT的无铅压电陶瓷。碱金属铌酸盐是重要的无铅压电陶瓷体系。其中,最有代表性的铌酸钾钠NaNbO_3-KNbO_3二元固溶体的研究始于二十世纪五十年代,但由于同时期发现的PZT陶瓷具有更优异的压电性能,因此多年来铌酸钾钠无铅压电陶瓷并未成为主流的压电陶瓷研究对象。直到2004年,日本的Saito等学者在Nature杂志上报道了可与传统PZT媲美的(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3基无铅压电陶瓷材料,铌酸钾钠无铅压电陶瓷才重新成为研究热点。近几年来,关于铌酸钾钠无铅压电陶瓷的研究报道非常多,但主要都是集中在成分的优化与探索方面,比如掺杂Li,Ta,Sb等元素来提高其压电性能。这些研究所采用的都是传统的固相反应合成工艺。虽然工艺简单,但制备的陶瓷粉末颗粒粗大、成分不均匀,且容易在球磨粉碎过程中引入杂相,易造成陶瓷块体的性能劣化及工艺不稳定。而水热法是一种基于水溶液反应的化学合成方法,已广泛商用于传统的PZT、BaTiO_3等功能陶瓷粉末制备产业。近年来更是有报道指出,由水热法制备的BaTiO_3粉末烧结成压电陶瓷块体样品性能非常优异。而关于水热合成铌酸钾钠无铅压电陶瓷体系的报道非常少,且研究不够充分,尤其关于具有最优压电性能的(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3陶瓷粉末的研究更是凤毛麟角。因此,本论文主要研究了用水热法合成铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉末,并用SPS放电等离子烧结将制备的粉末烧结成块体,并测试了其介电、压电和铁电性能。研究工作的主要结论如下:(1)利用水热法成功合成了铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉末,系统研究了反应温度、反应时间、起始碱溶液浓度、Nb_2O_5加入量对于合成产物的影响。实验发现,提高反应温度有利于生成单一的钙钛矿相陶瓷粉末,但是延长反应时间并不能使生成的多相钙钛矿陶瓷粉末转化为单相。碱溶液的起始浓度,尤其是KOH/NaOH的比例对于合成粉末的成分及形貌有较大影响。实验结果表明,水热合成接近KNbO_3-NaNbO_3固溶体任意一端的单相钙钛矿相都比较容易,但是成分接近(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3时就生成两相。(2)初步研究了添加剂对于水热合成铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉末的影响。通过起始溶液中添加聚乙烯醇(PVA)和乙二胺四乙酸(EDTA),在KOH/NaOH起始浓度比例为4.5/1.5,碱总浓度6mol/L,水热反应温度为220℃和反应时间为24h的条件下,成功合成了钙钛矿相铌酸钾钠陶瓷粉末。实验结果表明,添加剂可抑制水热反应中某些晶面的生长,并对生成物的形貌产生很大的影响。(3)利用乙醇-水混合溶剂热法,成功合成了铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉末,并研究了乙醇添加量、NaOH/KOH比例、起始碱溶液浓度对于合成产物的影响。实验发现,乙醇的添加,提高了反应釜中的压力,更有利于生成单相,但同时改变了其成分组成。结果表明,合成成分接近KNbO_3-NaNbO_3固溶体任意一端的单相钙钛矿相都比较容易,但是成分接近(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3时就生成两相。(4)成功采用了SPS放电等离子烧结工艺,将水热制备的铌酸钾钠粉末烧结成相对密度大于99%的压电陶瓷块体,并对其物相结构和微观形貌进行了观察,测试了其压电、铁电和介电性能。尽管实验制备的水热粉末为非单相的钙钛矿相,但是经SPS放电等离子烧结后,样品显示为单一的正交钙钛矿相。经空气中退火处理后,样品呈现良好的铁电性和压电性。压电常数为135pC/N,在未掺杂的KNN陶瓷中处于较高水平。并且,样品显示出比较大的剩余极化强度P_r=26.2μC/cm~2和机械品质因数Q_m＞150,大约分别是由固相反应法制备的粉末经SPS烧结后样品的两倍。
参考文献：
[1]. BaTiO_3-Bi_（0.5）Na_（0.5）TiO_3系无铅压电陶瓷的制备及性能研究[D]. 高兰芳. 中国地质大学. 2008
[2]. NBT-KBT-BT无铅压电陶瓷的研究[D]. 魏敏先. 江苏大学. 2008
[3]. 功能陶瓷超微细粉体的制备及应用研究[D]. 袁颖. 电子科技大学. 2004
[4]. NBT-KBT无铅压电织构陶瓷制备及其电性能研究[D]. 张昌松. 西北工业大学. 2005
[5]. NBT基无铅压电陶瓷制备及性能研究[D]. 厚娜. 陕西师范大学. 2010
[6]. BNT基无铅压电陶瓷的性能、参数及工艺研究[D]. 王胜利. 陕西师范大学. 2011
[7]. K_(0.5)Na_（0.5）NbO_3基于铅压电陶瓷的制备与改性研究[D]. 刘益雄. 中国地质大学. 2011
[8]. 铌酸钾钠无铅压电陶瓷的水热制备和放电等离子烧结[D]. 刘楠. 陕西师范大学. 2009