钙钛矿型无铅压电陶瓷的掺杂改性研究

摘要

压电陶瓷已广泛应用于致动器、传感器、谐振器等领域。如今出于保护环境需要，开发高性能无铅压电陶瓷取代现有的含铅压电陶瓷材料成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。本文选择钙钛矿型无铅压电陶瓷为研究对象，采用传统电子陶瓷制备工艺制备了掺杂改性的铌酸钾钠(KNN)、钛酸铋钠(BNT)基陶瓷，系统地研究了掺杂离子的种类和含量对陶瓷相结构、介电、压电、铁电、场致应变等性能的影响。
　　以K0.48Na0.52NbO3为基体组分，制备了以La进行A位掺杂的KNN-1000xLa和以La、Cu进行A、B位共掺杂的KNN-1000xLC系列陶瓷。陶瓷均形成纯相钙钛矿结构，La、Cu离子完全进入铌酸钾钠晶格。La和Cu的引入削弱了陶瓷的铁电性，陶瓷发生铁电相向弛豫相转变的过程。并且 Cu的引入强化了陶瓷的“硬”性能，提高了KNN陶瓷的矫顽场Ec。KNN-4La与KNN-9LC陶瓷取得了相对最优的性能，其最大场致应变值分别为0.09％@5 kV/mm和0.11%@5 kV/mm，原因在于其发生了铁电-弛豫转变。
　　本文以0.85Bi0.5Na0.5TiO3-0.11Bi0.5K0.5TiO3-0.04BaTiO3为基体组分，制备了Li单掺杂、La与 Nb共掺杂、Li-La与 Nb共掺杂的 BNBKT-100xLi、BNBKT-10000xLN和BNBKLT-10000xLN系列陶瓷。各陶瓷体系均保持了纯相钙钛矿结构，无第二相产生。并且随着掺杂量的增加，相结构发生了由四方-斜方共存相向伪立方相的转变。Li的掺杂增强了BNBKT-100xLi陶瓷铁电-弛豫相转变的扩散过程，随着Li含量的增加，TF-R逐渐由160°C降低到室温以下。BNBKT-15Li体现了最优的室温场致应变性能，为0.37%@6.5 kV/mm，相应d*33(Smax/Emax)为570 pm/V。La与Nb共掺杂体系体现了与之类似的规律。适量的离子掺杂对提升 BNT-BKT-BT基体陶瓷的场致应变性能有着显著的作用， BNBKT-75LN和 BNBKLT-50LN在室温下体现了最优的场致应变性能：BNBKT-75LN的应变为0.39%@6 kV/mm，相应的逆压电系数d*33=650 pm/V；BNBKLT-50LN的应变为0.36%@6 kV/mm，相应的逆压电常数d*33=600 pm/V。
　　此外，BNT-BKT-BT系列陶瓷的场致应变温度稳定性的测试表明，Smax/Emax一般在铁电-弛豫相转变温度（TF-R）附近可获得最大值，表明弛豫-铁电相转变过程是贡献给大场致应变的主要原因。这一相转变过程会受到很多条件的影响，是陶瓷组分、温度、外加电场等多重作用的结果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 压电、铁电、场致应变材料概述

1.3 无铅压电陶瓷研究概况

1.4 铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究

1.5 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的研究

1.6 本研究的意义及内容

第2章 无铅压电陶瓷的制备与表征

2.1 陶瓷的制备

2.2 陶瓷的结构分析与性能表征

第3章 KNN基无铅压电陶瓷及其改性研究

3.1 引言

3.2 KNN-1000xLa陶瓷的制备与性能研究

3.3 KNN-1000xLC陶瓷的制备与性能研究

3.4 本章小结

第4章 BNT基无铅压电陶瓷及其改性研究

4.1 引言

4.2 BNBKT-100xLi陶瓷的制备与性能研究

4.3 BNBKT-10000xLN陶瓷的制备与性能研究

4.4 BNBKLT-10000xLN陶瓷的制备与性能研究

4.5 本章小结

第5章 全文结论

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢