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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,还会对环境造污染。本文选取铌酸钾钠陶瓷体系,采用传统的制备工艺,在常压烧结的条件下制备了(Na0.48k0.47Li0.05)NbO3(简作KNLN)无铅压电陶瓷,运用X射线衍射、扫描电子显微分析等分析测试手段对掺杂陶瓷微观结构和形貌及其变化规律进行表征与研究；运用d33测试仪、阻抗分析仪等测量系统对样品的介电,压电性能进行了测量和分析关系,研究了预烧温度、烧结温度、烧结助剂、极化条件和稀土掺杂对其性能、形貌的影响。
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。实验结果表明:该系压电陶瓷预烧温度取850℃,烧结温度在1080℃,极化场强3kV／mm,极化温度120℃,极化时间20min时,各项性能得到较佳值,d33=85pC／N,tanδ=0.038,Kp=0.3,ρ=4.2g／cm3。
添加烧结助剂可以在烧结过程中产生液相,可以降低烧结温度,但过多加入会恶化陶瓷性能。实验中,当掺杂0.01mol％的CuO时,对陶瓷样品性能提高最大,d33=102pC／N,tanδ=0.029,Kp=0.35,ρ=4.3g／cm3。
我们采用稀土元素对KNLN陶瓷进行改性研究。系统研究了稀土掺杂含量对KNLN陶瓷显微结构和压电性能的影响,结果表明:A位的稀土离子少量加入并没有改变陶瓷的相结构,体系仍为单一正交相钙钛矿结构。少量的掺杂时晶粒大小变化不大,但过量时会抑制晶粒生长。随着掺杂量x的增大样品的压电系数(d33)、平面机电耦合系数(kp)和样品密度(ρ)都呈现先增大后减少的变化趋势,相反介质损耗(tanδ)呈现变小后增大的变化趋势,而介电常数(εr)呈现一直变大的趋势。实验结果表明:当La2O3掺杂量达到0.25mol％时,具有较好的综合性能,此时d33=116pC／N,Kp=0.4,ρ=4.36g／cm3,tanδ=0.024,εr=596；当CeO2掺杂量达到0.35mol％时,具有较好的综合性能,此时d33=122pC／N,Kp=0.41,ρ=4.44g／cm3,tanδ=0.024,εr=642；当Nd2O3掺杂量达到0.5mol％时,具有较好的综合性能,此时d33=121pC／N,Kp=0.43,ρ=4.42g／cm3,tanδ=0.021,εr=743；当Y2O3掺杂量达到0.5mol％时,具有较好的综合性能,此时d33=124pC／N,Kp=0.44,ρ=4.4g／cm3,tanδ=0.022,εr=731；当Dy2O3掺杂量达到0.5mol％时,具有较好的综合性能,此时d33=122pC／N,Kp=0.43,ρ=4.41g／cm3,tanδ=0.025,εr=758。