《KNN基无铅压电陶瓷的分步烧结法制备》

技术简介：

压电材料由于拥有使电子能量和机械能互相转换的特性,在电子致动器、超声波换能器、致动器、传感装置等中都具有十分广阔的应用范围。尽管锆钛酸铅(Pb(Zr_xTi_(1-x))O_3,PZT)陶瓷表现出了优异的电学性能,但由于铅基压电材料大量使用的铅,引起了严重的环境问题。铌酸钾钠基(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3基,KNN)无铅压电陶瓷是由铁电体(KNbO_3)和反铁电体(NaNbO_3)复合而成的钙钛矿结构材料,具有高压电性能和高居里温度等优势,有望取代铅基压电陶瓷。然而,KNN基无铅压电陶瓷的电学性能尚未达到取代铅基压电陶瓷的地步,且陶瓷制备过程碱金属的挥发难以克服,必须要从烧结工艺和添加组分等方面进行探究,因此本论文将从以下三个方面进行研究:第一部分采用传统固相反应法、通过分步烧结工艺制备(1-x)(Li_(0.02)Na_(0.48)K_(0.48)Ag_(0.02))(Nb_(0.95)Sb_(0.05))O_3-x(Ba_(0.4)Bi_(0.3)Na_(0.3))ZrO_3(LNKANbS-xBBiNZ,x=0.04,0.045,0.05,0.055和0.06)无铅压电陶瓷。初步探索分步烧结法工艺条件对陶瓷性能的影响。其中在高温1215℃后迅速降温到保温阶段,以1050℃保温6小时制备的陶瓷呈现出较好的电学特性,居里温度可以达到202℃,介电常数ε_m高达4640,居里-外斯常数C和弥散指数γ分别达到3.01×10~5和1.713。结果表明采用分步烧结法制备LNKANbS-0.05BBiNZ陶瓷能够减少烧结过程碱金属和Bi的挥发,从而提高致密度来改善电学性能。第二部分系统地研究了BBiNZ成分对LNKANbS-xBBiNZ陶瓷的电学性能和结构形貌的影响。通过X射线衍射(XRD)Rietveld精修拟合、介电响应拟合和拉曼光谱证实了LNKANbS-xBBiNZ系统中构建出了三方-四方(R-T)相界,并且BBiNZ含量影响R-T相的比例。LNKANbS-xBBiNZ陶瓷具有复杂的介电行为特征,接近正常铁电体同时伴随明显的介电弛豫特征。通过拟合出的电导活化能和弛豫活化能可以推断LNKANbS-0.045BBiNZ陶瓷的高温导电性是由陶瓷中的氧空位来控制。通过对BBiNZ含量的调整,使多相共存R-T相有一个合适的比例,利用分步烧结法提高了陶瓷样品的致密度和微观结构的均匀性,使得LNKANbS-0.045BBiNZ陶瓷呈现良好的电学性能,压电常数d_(33)达到了216pC/N,压电电压系数(g_(33)=d_(33)/(e_0e_r))和压电优值(FOM)d_(33)×g_(33)的极值分别达到了46.39×10~(-3)Vm/N和10.02pm~2/N。第三部分采用传统固相法煅烧粉末,利用分步烧结法制备(1-x)(Li_(0.02)Na_(0.5)K_(0.48))(Nb_(0.95)Sb_(0.05))O_3-x(Bi_(0.5)Na_(0.5))(Zr_(0.97)W_(0.01)Fe_(0.02))O_3(LNKNbS-xBiNZWF,x=0.035,0.04,0.045,0.05和0.055)无铅压电陶瓷,系统探索了该陶瓷的最佳烧结条件。通过XRDRietveld精修、介电拟合和拉曼光谱分析证实在LNKNbS-xBiNZWF系统中构建了正交-四方(O-T)相界,探索了成分变化与该KNN基陶瓷多相共存和电学性能的内在联系。随着BiNZWF含量的增加,LNKNbS-xBiNZWF陶瓷中O-T相比例先减小再增大,晶粒尺寸明显减小。LNKNbS-xBiNZWF陶瓷的高温导电机制可归因于陶瓷烧结过程碱金属和Bi挥发产生的氧空位的迁移。LNKNbS-0.04BiNZWF陶瓷呈现较好的压电性能,压电常数d_(33)达到了209pC/N,压电电压系数(g_(33)=d_(33)/(e_0e_r))和压电优值(FOM)d_(33)×g_(33)的极值分别达到了1.07×10~(-2)Vm/N和2.24pm~2/N。如此优异的压电性能可归因于O-T多相共存的适当相比例以及通过分步烧结方法使LNKNbS-xBiNZWF陶瓷获得的致密度和微观结构均匀性的改善。LNKNbS-0.04BiNZWF陶瓷呈现优异的压电性能,与O-T多相共存的适当相比例及通过分步烧结法获得较高的密度和均匀的微观结构有关。

研发人员：李万吉