(K0.37Na0.63)NbO3-Ca(Sc0.5Nb0.5)O3基透明铁电陶瓷的制备及其性能研究

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透明铁电陶瓷是一类重要的、国际竞争极为激烈的新型功能材料。由于具有优异的铁电、压电、热释电性能、机械性能和显著的电光效应,还具有耐高温、耐腐蚀、高硬度和高透明等特性,它是未来光计算机技术、电子信息技术和国防军事应用开发中的关键材料。本文采用无压密闭烧结工艺成功制备了铌酸钾钠基透明铁电陶瓷:详细研究了制备工艺对陶瓷透光性和压铁电性的影响,系统研究了不同组分与陶瓷的晶体结构、致密度、透光率以及介电、铁电、压电等电学性质之间的关系,探讨陶瓷透光的物理机制。主要结论如下:(1)无压密闭烧结的KNN-CSN9-Sealed样品有更高的相对密度98%,而KNN-CSN9-Unsealed相对密度仅有95%;样品断面的EDS证明了在无压密闭烧结过程中K+、Na+离子的损失较小,样品具有较高的致密度。KNN-CSN9-Sealed在1064nm处透射率为60%,比KNN-CSN-Unsealed样品的透射率45%要高出15%;同时,通过电学性能的对比,KNN-CSN9-Sealed样品的电学性能明显优于KNN-CSN-Unsealed样品。样品KNN-CSN9的最佳烧结温度是1220℃下烧结4 h。(2)(1-x)KNN-xCSN陶瓷样品的晶体结构为纯钙钛矿结构;随着CSN含量的增加,样品结构由正交相经四方相向伪立方相转变。样品在x=0.090时获得最大相对密度98%;同时,获得在1064 nm激光下最大的透射率60%;(1-x)KNN-xCSN样品的介电温谱图佐证了样品的相结构随着CSN含量的增加,从正交相经四方相转变到伪立方相;样品的岛随着CSN含量的增加先增加后减小,在x=0.090处取得最大值εm=3279,居里温度Tc=147℃。(1-x)KNN-xCSN样品是弛豫铁电体,它们的高温顺电相是由于位移性过渡引起的,ΔTm和扩散因子γ均随着CSN含量的增加先增大后减小,并在x=0.090处取得最大值:ATm=161℃,γ=1.85。样品KNN-CSN9还具有较高的铁电性和压电性,其值分别为Pr=6.88 μC/cm2、Ec=8.49 kV/cm、 d33=35 pC/N。(3)0.91KxNa1-xN-0.09CSN陶瓷样品的晶体结构为纯钙钛矿结构,其晶相为伪立方相,在(200)的XRD衍射峰没有发现MPB现象的存在;0.91KxNa1-xN-0.09CSN样品在x=0.41时获得最大相对密度99%,并且获得1064 nm下的最大透射率61%;0.91KxNa1-xN-0.09CSN陶瓷样品的Tc随着K+含量的增加,先减小后增加,在x=0.50处取得最小值Tc=118℃,εm=2559。0.91KxNa1-xN-0.09CSN样品是弛豫铁电体,ΔTm和扩散因子γ随着K+离子含量的增加,均先增大后减小在x=0.50处取得最大值ATm=178℃,γ=1.79;0.91KxNa1-xN-0.09CSN陶瓷样品的剩余极化强度Pr和矫顽场Ec,在x(?)0.45时一直减小;而当x>0.45时,样品的Pr基本不变。样品的电学性能在K+的含量为x=0.50附近有一个较优区域。(4)(1-x)KNN-xSSN样品的晶体结构均为纯的钙钛矿结构;随着SSN含量的增加,样品由正交相向伪立方相转变;(1-x)KNN-xSSN样品在x=0.07时获得最大相对密度99%;同时,样品在x=0.07获得在1064nm激光下最大透射率63%;(1-x)KNN-xSSN样品的介电温谱也表明样品的相结构随着SSN含量的增加从正交相转变到伪立方相;SSN的引入使(1-x)KNN-xSSN样品的居里温度降低并且居里峰出现宽化。(1-x)KNN-xSSN样品的△Tm和扩散因子γ均随着SSN的增加先增大后减小,ATm在x:0.09处达到最大值,但扩散因子γ在x=0.07处取得最大值γ=1.73:(1-x)KNN-xSSN样品的剩余极化强度Pr和矫顽场Ec随着SSN含量的增加,先减小后增大,在x=0.07处取得最小值;样品的d33随着SSN含量的增加的一直减小;在x(?)0.07时,d33减小的比较剧烈,而当z>0.07时,d33减小的比较平缓;(5)样品0.91KNN-0.09CSN和0.93KNN-0.07SSN均呈现纯的钙钛矿结构,且是伪立方结构。样品的相对密度分别是98%,99%;在1064nm激光下的透射率分别是60%,63%。样品0.91KNN-0.09CSN的电学性质均比0.93KNN-0.07SSN强。
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