铌酸钠钾系无铅压电陶瓷制备及其性能研究

摘要

压电陶瓷材料在超声换能器、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。铅基PZT材料在压电材料研究和应用领域一直占据着主导地位。但是铅的毒性很高，随着人们环境意识的提高，研发环境友好的无铅压电陶瓷己成为研发的热点材料之一。碱金属铌酸盐压电陶瓷以其优良的性能备受人们的关注。 本论文探索了KNN陶瓷的固相合成法制备工艺和极化工艺，KxNa1-xNbO3无铅压电陶瓷当x在0.4～0.5范围变化时，生成的主晶相均为正交结构。KNN50压电陶瓷显示出较好的压电性能。KNN50压电陶瓷的最佳烧结温度为1050℃～1080℃之间。KNN压电陶瓷的最佳极化工艺为：极化电场3kV/mm，极化温度120℃，极化时间20min。 为进一步提高电学性能，对KNN陶瓷进行了LiNbO3(LN)掺杂改性。Lix(K0.5Na0.5)1-xNbO3无铅压电陶瓷当x≥0.04时出现K3LiNb6O17相，该相在陶瓷烧结过程中类似于液相的作用。当x≥0.08时出现LiNbO3相陶瓷性能下降，在x=0.06时存在正交－四方相准同型相界，陶瓷性能最优。LN的掺杂使KNLN陶瓷的TO-T降低，但TC增加。 MnO2掺杂KNLNST压电陶瓷有细化晶粒的作用，使陶瓷变“硬”。陶瓷的TO-T温度提高，而居里温度TC则由未掺杂的310℃左右提高到400℃。在MnO2掺杂量为0.5mol％时材料综合性能最好，此时d33=186pC/N，kp=41.8％，Qm=72，tanδ=0.051，εr=723，TC=400℃。 CuO的掺杂降低了KNN-LS压电陶瓷的烧结温度。大大提高了陶瓷的机械品质因数，降低了介质损耗，对陶瓷起到硬化作用。 将掺杂0.5mol％ MnO2的KNLNST压电陶瓷应用到自行研制的直线型超声电机中，电机最大输出速度为20mm/s，最大输出力为0.5N。