KNN基无铅压电陶瓷的制备与性能研究

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压电陶瓷被广泛的应于超声马达、传感器、换能器等各种装置中。现在市场上普遍应用的压电陶瓷材料均为含铅材料,比如锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3(PZT))。但是由于含铅量较大(≥60 wt%),在陶瓷的制备和使用过程,乃至废弃后的处理过程都会给环境和人体带来不可逆转的伤害。随着人们对环境问题的不断关注,关于限制有害物质使用的一些法律条文开始颁布和实施,无铅压电陶瓷的发展也迫在眉睫。铌酸钾钠(K,Na)NbO3(KNN)等碱金属基压电陶瓷由于优异的压电性能和较高的居里温度(Tc)使其得到了广泛的关注。本文通过使用Li,Sb,Ca(Bi,Na)ZrO3(CBNZ)等对铌酸钾钠((K,Na)NbO3(KNN))基陶瓷进行掺杂改性,采用传统固相烧结的制备方法制备出了(1-x)(K0.48,Na0.52)NbO3-x Ca0.5(Bi0.5,Na0.5)0.5ZrO3,0.95(K0.48,Na0.52)0.95Li0.05SbxNb(1-x)O3-0.05Ca0.5(Bi0.5,Na0.5)0.5ZrO3和0.97(K0.48,Na0.52)(1-x)Li0.05SbxNbO3-0.03Ca0.5(Bi0.5,Na0.5)0.5ZrO3三个体系的压电陶瓷,对他们的相结构,介电性能,压电性能,显微结构等方面进行了系统的分析,研究了掺杂对陶瓷体系的影响。首先研究了(1-x)(K0.48,Na0.52)NbO3-xCa0.5(Bi0.5,Na0.5)0.5ZrO3(KNN-xCBNZ,x=0.01-0.07,0.09)中CBNZ含量对陶瓷体系的影响。研究结果表明,随着CBNZ含量的增加,室温下陶瓷体系从正交相(O phase)逐渐向三方相(R phase)移动,并在0.03≤x≤0.05时达到三方-正交(R-O)两相共存态。当x=0.045时陶瓷的性能达到最佳d33209pC/N,Tc310°C,?r=572,tanδ=0.028。其次通过选定Ca0.5(Bi0.5,Na0.5)0.5ZrO3及Li的含量,探索了Sb元素对0.95(K0.48,Na0.52)(1-x)Li0.05SbxNbO3-0.05Ca0.5(Bi0.5,Na0.5)0.5ZrO3(KNLSxN-CBNZ,x=0-0.07,0.10)体系的影响。室温下获得了三方(R phase)和四方(T phase)两相共存的陶瓷,在x=0.06时,d33252pC/N,Tc253°C,?r=2200,tanδ=0.039,陶瓷性能达到最好,此时得到了高致密度的陶瓷ρ=4.86 g/cm3。最后探索了锑(Sb)元素掺杂含量对0.97(K0.48,Na0.52)0.95Li0.05SbxNb(1-x)O3-0.03Ca0.5(Bi0.5,Na0.5)ZrO3(KNLSxN-CBNZ,x=0.01,0.03,0.05-0.08,0.10)相结构,介电性能,压电性能,陶瓷的致密度等性能的影响,通过对体系的掺杂我们在室温下获得了三方(R phase)和四方(T phase)两相共存的陶瓷,在提升了陶瓷压电性能的同时获得了较高的陶瓷致密度。在x=0.06时获得了最好的压电性能d33267pC/N,Tc253°C,kp=0.452,?r=1836,tanδ=0.033和较高的致密度,ρ=4.63 g/cm3。这个组分的陶瓷有很大的潜力可以用在压电蜂鸣器和压电点火器上。
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