高锂含量xLiNbO3-(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3(LNKN)高温无铅压电陶瓷的制备与性能研究

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采用传统固相烧结工艺制备了xLiNbO3-(1-x)Na0.5K0.5NbO3(简写为LNKN,其中0.146≤x≤0.618)高温无铅压电陶瓷。讨论了烧结温度、极化条件对陶瓷材料的影响;运用X射线衍射分析和扫描电子显微镜技术对制备出的陶瓷材料的相结构、微观组织等进行了分析,研究了陶瓷材料的晶相结构随x含量的变化并提出变化模型;讨论了LNKN高温无铅压电陶瓷的介电、压电性能随x的含量的变化趋势。结果表明,LNKN无铅压电陶瓷是高温无铅领域中很具有前景的一类材料。通过实验研究,我们发现:1.高Li含量的LNKN随着x的增加,发生了一个从四方钙钛矿相到四方钨青铜相、再到LiNbO3相的转变,结构的变化也正是由于Li的加入引起晶格的畸变而形成的。2.在NKN的钙钛矿相和LiNbO3相之间存在着一个过渡相,即K3Li2Nb5O15或K3LiNb6O17的四方钨青铜相。其中K3Li2Nb5O15是一种完全填满型钨青铜结构,而K3LiNb6O17是一种非填满型钨青铜结构,尚存在着碱金属阳离子的空位。3.在LiNbO3的含量一定时,陶瓷中可能存在四方钙钛矿相、四方钨青铜相以及三方LiNbO3相中的多种,形成复相结构。4.与准同型相界(MPB)类似,钙钛矿相与钨青铜相的转变以及钨青铜相与LiNbO3结构的转变是一个突变的过程。即可以同时存在其中一种或几种相,但是几乎不明显存在它们之间的某种混乱的杂相。5.NaNbO3与KNbO3是无限固溶体,但是NaNbO3和KNbO3,与LiNbO3并不是无限固溶体。当LiNbO3的含量较低时,可以与NaNbO3、KNbO3固溶而形成钨青铜结构,但当含量较高时,首先会有NaNbO3析出,然后KNbO3也会因晶格的畸变而析出。6.当x在0.25到0.45之间时,d33几乎保持不变,大约为70~80pC/N。当x=0.382时,压电常数d33=74pC/N,居里温度Tc=526℃。当x=0.500时,压电常数d33=53pC/N,居里温度Tc=537℃。7.当加入助熔剂CuO时,机械品质因子Qm从52提高到82,而且并没有引起居里温度的剧烈下降,但是压电常数却下降很多。通过本论文的研究,取得以下具有明显创新性的研究成果:1.提出了高LiNbO3含量LNKN无铅压电陶瓷(其中0.146≤x≤0.618),并成功制备并表征了居里温度大于500℃,压电常数在70到80pC/N的高温无铅压电陶瓷。2.对高锂含量LNKN系列陶瓷进行了相结构和微观组织进行了表征,首次提出高锂含量LNKN陶瓷随Li含量的相结构的变化。
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