铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备和掺杂改性

摘要

压电材料是实现机械能与电能相互转换的一类重要功能材料,有着广泛的应用。压电材料包括压电单晶、压电陶瓷、压电高分子材料以及复合材料等。其中,压电陶瓷材料由于具有制备工艺简单、造价成本低的特点,尤其是锆钛酸铅基陶瓷材料(简称PZT)因其优异的压电性能以及组分可调节性的优点,数十年来一直占据着压电材料的主要市场。但是,PZT的制备需要使用大量的含铅氧化物作为原料,在生产、使用及废弃后的处理过程中都会给人类及生态环境带来严重影响。因此,发展无铅环境协调性压电陶瓷是一项紧迫且具有重大现实意义的课题。为获得一种性能极佳的无铅压电陶瓷,本文系统地研究了(1-x)(Na0.5K0.5)NbO3-x(Bi0.5Na0.25K0.25)TiO3(简称为KNN-BNKT)无铅压电陶瓷的不同组分差异、烧结特性、压电性能、机电性能和介电性能。分析了组成、烧结和极化工艺等因素对陶瓷的影响,探索了铌酸钾钠-钛酸铋钠钾体系陶瓷的最佳制备工艺与极化处理条件。
　　第一部分采用传统陶瓷制备方法制备了(1-x)KNN-xBNKT体系无铅压电陶瓷,研究了不同BNKT含量对(1-x)KNN-xBNKT无铅压电陶瓷材料的密度、相结构、显微结构和电学性能的影响。X射线衍射(XRD)结果表明,(1-x)KNN-xBNKT陶瓷在BNKT含量x=0.03~0.06时具有单一的钙钛矿结构,说明BNKT的离子完全扩散进入KNN晶格中,形成了一种新的固溶体。随着BNKT含量的增加,该陶瓷体系逐渐由纯KNN的正交相向四方相过渡,当BNKT含量为0.06时,(1-x)KNN-xBNKT陶瓷体系又有向赝立方相转变的趋势。通过扫描电镜(SEM)分析得知,(1-x)KNN-xBNKT无铅压电陶瓷体系的显微结构也由于BNKT含量的不同而表现出很大差异。结合对(1-x)KNN-xBNKT陶瓷电学性能的分析,得到了综合性能比较好的无铅压电陶瓷0.97(Na0.5K0.5)NbO3-0.03(Bi0.5Na0.25K0.25)TiO3(简称为KNN-BNKT-3):d33=124pC/N,kp=0.28,Qm=27。
　　第二部分研究了KNN-BNKT-3陶瓷的烧结和极化工艺。在烧结工艺中,升温速率对陶瓷相结构几乎没有影响,但是对陶瓷显微结构和压电性能有很大影响。随着升温速率的增加,由于粉体团簇的原因,陶瓷的晶粒逐渐变大,晶粒间交接更为紧密,晶界也变得非常清晰,并确定其最佳升温速率为5℃/min。通过对不同烧结温度和保温时间下的KNN-BNKT-3陶瓷的微观结构及压电性能的分析,得到其最佳烧结温度为1120℃,最佳保温时间为3小时。极化工艺的研究结果表明:极化条件对KNN-BNKT-3陶瓷的压电和机电性能有很大的影响。对KNN-BNKT-3陶瓷而言,其最佳极化工艺为:极化强度为3.0kV/mm,极化温度为110℃,极化时间为25min。

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主要符号对照表

第1章 绪 论

1.1 压电体及压电陶瓷概述

1.2 压电陶瓷的种类及研究现状

1.3 选题意义及主要研究内容

第2章 实验方法

2.1前言

2.2 实验主要原料及其性质

2.4 主要实验仪器

2.5 无铅压电陶瓷样品的结构及其性能表征方法[1-6]

第3章 (1-x)KNN-xBNKT无铅压电陶瓷研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 KNN基无铅压电陶瓷的制备工艺研究

4.1 引言

4.2烧成条件对陶瓷性能的影响

4.3 极化条件对陶瓷性能的影响

4.4 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录A：个人简历

附录B：攻读硕士学位期间所获成果