无铅压电陶瓷Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3的制备、掺杂及电性能研究

摘要

锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷由于其优异的压电性能在生产和生活中有着广泛的应用。但是这类材料含有大量Pb元素，使得该类材料的应用受到极大的限制，因此，开发新型高性能无铅压电陶瓷意义重大。碱金属铌钽酸基压电材料由于具有无毒和高压电性能等优点，受到各国学者的重视。本文详细的研究了熔盐法制备Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)系压电陶瓷的工艺条件，寻找出性能最佳的组分，并探讨了A位(稀土元素，碱金属)和B位(过渡金属)掺杂对材料压介电性能的影响，发现经过掺杂改性的陶瓷材料的部分电性能可以和PZT相媲美。
　　本文系统地研究了熔盐法合成Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)及其掺杂样品的工艺条件，研究发现反应原料在850℃，保温4小时，熔盐(NaCl-KCl)与原料质量比为1：1时，可获得单相的Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)及其掺杂样品。在此基础上研究了粉体样品的相组成，颗粒的微观形貌和陶瓷材料的压介电性能。研究结果表明：烧结条件为1100℃烧结，保温40分钟，极化条件为在120℃油浴中加热20分钟，极化场强为4kv/mm时，陶瓷样品的压介电性能最佳。
　　对Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)以及A位(稀土元素，碱金属)和B位(过渡金属)掺杂样品的压介电性能测试结果表明：当Nb和Ta原子比为1：1时，材料具有最佳压介电性能，材料的几个重要性能参数分别为：εr=83.2，tanδ=0.0096，d33=152pc/N，TC=700℃。在此基础上研究了A位和B位掺杂对陶瓷材料压介电性能的影响，当CuO的掺杂量为1.0mol％时，陶瓷具有较好的压介电性能：εr=220，tanδ=0.01,d33=170pc/N；对于稀土离子(La3+、Nd3+、Sm3+)掺杂体系，当Sm3+的含量为2.0mol%时，性能较佳：εr=133.4，d33=158pc/N。Li+的掺杂样品中当Li+含量为8.0mol%时，εr达到260.1。并进一步研究A，B位同时掺杂对材料压介电性能的影响，发现Sm3+和Cu2+掺杂量分别为2.0mol%和1.0mol%时，陶瓷样品性能参数为εr=345.6，tanδ=0.011,d33=254pc/N，Tc=690℃，可以看出该陶瓷样品的部分电性能已接近固溶体Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基压电材料的性能。
　　最后，本文简单介绍了压电陶瓷材料介质极化的类型，结合测试数据讨论了频率和温度对介电性能的影响，并运用Clausius-Mosotti方程结合离子极化率计算了介电常数。结果表明：当测试频率小于40000Hz时，介电常数及介电损耗均随频率的增加而减小。介电常数的计算值与实测值有较大的偏差，导致这一结果的可能原因是计算时未考虑内电场的作用。

目录

无铅压电陶瓷Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3 的制备、掺杂及电性能研究

PREPARATION，MODIFICATION ANDELECTRIC PROPERTIES OFNa0.5K0.5NbxTa(1-x)O3 PIEZOELECTRICCERAMICSCandidate:Supervisor:

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 压电材料简介

1.3 压电陶瓷粉体的制备方法

1.4 本论文的研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3 实验原料与实验设备

2.4 样品的结构与性能表征

第3章 熔盐法合成Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)粉体的掺杂与表征

3.1 熔盐法制备Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)及影响因素

3.2 掺杂Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7) 系列化合物粉体的合成

3.3 本章小结

第4章 Na0.5K0.5NbxTa(1-x)及掺杂无铅压电陶瓷的制备及电性能研究

4.1 陶瓷的制备方法

4.2 无铅Na0.5K0.5NbxTa(1-x)O3(x=0.3~0.7)压电陶瓷的性能的研究

4.3 掺杂Na0.5K0.5Nb0.5Ta0.5O3 陶瓷样品的电性能研究

4.4 本章小结

第5章 电性能的影响因素

5.1 介质的极化

5.2 频率和温度对介电常数的影响

5.3 频率和温度对介电损耗的影响

5.4 介电常数计算值与测试值的比较

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢