碱金属铌酸盐纳米陶瓷的溶胶-凝胶法制备及性能研究

摘要

本论文以环境友好的碱金属铌酸盐为目标体系，以含铌前驱溶液为铌源，应用溶胶-凝胶工艺制备得到碱金属铌酸盐粉体及陶瓷，系统地对粉体的制备工艺、尺寸效应和烧结特性、以及陶瓷体的性能及Mn掺杂进行了研究。主要内容可分为以下几个部分：
　　 1.开发了一条低成本制备碱金属铌酸盐纳米粉体的新工艺：在前期工作基础上把Nb2O5成功转化为铌的前驱溶液来替代铌醇盐用于溶胶-凝胶工艺，该含铌前驱溶液具有长期保存不变质、含量易于标定、使用方便等优点；以一种非钙钛矿结构的铌酸钾为中间体模板，采用含铌前驱溶液为原料，在550℃成功合成了直径大约为100～200nm，长度大约为1～2μm的KNbO3纳米棒；采用含铌前驱溶液为原料，在500℃的温度下制备得到平均晶粒尺寸为30nm左右的(Li0.06Na0.47K0.47)NbO3(LNKN(6))纳米粉体，其合成温度比传统固相法降低了350℃以上。进一步在成功制备(LNKN(6))纳米粉体基础上，探索了晶粒尺寸对通过粉体相结构的影响：通过改变煅烧温度，制备得到了不同晶粒尺寸(30～60nm)的LNKN(6)纳米粉体，并研究了其尺寸效应。结果表明：基于纳米尺寸效应，随着晶粒尺寸的减小，体系对称性升高，在35nm左右，LNKN(6)粉体的相结构由正交相转变为四方相。
　　 2.提出了一种简易制备(Na0.5K0.5)NbO3(NKN)单晶的新方法：通过调整工艺参数，可以有效控制合成粉体的形貌，研究发现，当升温速率为5℃/min时，制备得到了纳米颗粒和纳米棒混合的NKN粉体。以该特殊形貌的NKN粉体为前驱体，采用异常晶粒长大方法成功制各了毫米级的NKN单晶材料。当烧结温度为950℃时，NKN单晶的尺寸最大，为3mm左右，NKN纳米粉体中的尺寸差异是造成异常晶粒长大的根本原因；探索了纳米NKN陶瓷中晶粒尺寸对其性能的影响：首先控制升温速率为20℃/min，制备得到了单一颗粒状，晶粒尺寸为30nm左右的NKN粉体，然后对该粉体进行放电等离子(SPS)烧结，通过改变保温时间，得到了平均晶粒尺寸分别为40nm和500nm左右的NKN陶瓷。结果表明：随着晶粒尺寸的降低，NKN陶瓷的介电常数降低，介电弛豫性能增强，并且铁电性能弱化。尺寸降低所引起的纳米NKN陶瓷中晶界相所占的比例增高是介电、铁电性能变化的主要原因。
　　 3.针对传统固相法制备NKN陶瓷电学性能低的不足，在溶胶-凝胶技术基础上，通过LiNbO3复合调节其正交-四方相转变点结合锰掺杂调控其微结构与电畴活性，大幅提升NKN压电陶瓷的电学性能：以溶胶-凝胶法制备的Lix(Na0.5K0.5)1-xNbO3(LNKN)纳米粉体为原料，采用传统烧结工艺，制备了LNKN陶瓷，并对LNKN陶瓷的正交-四方相转变形为进行了研究。结果表明，当LiNbO3含量为10％左右时，LNKN陶瓷在室温下为正交相与四方相共存的相结构，此时LNKN电学性能最优，介电常数为392，介电损耗为2.8％，压电常数d33为169pC/N，机电耦合系数kp为40％，机械品质因数Qm为110。而晶粒尺寸降低引起的陶瓷体微应力的变化是LNKN陶瓷正交-四方相转变点向高含量LiNbO3处转移的主要原因；进一步对LNKN(8)陶瓷进行了Mn掺杂研究，结果表明：Mn掺杂引起了LNKN(8)的晶格畸变，并能显著改善陶瓷的电学性能。当Mn掺杂量为2mol％时，研究体系相结构最接近四方相并获得最佳的电学性能：介电常数为545，介电损耗为2.3％，压电常数d33为212pC/N，机电耦合系数kp为46％，机械品质因数Qm为184。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 压电效应与压电陶瓷

1.1.1 压电效应

1.1.2 压电陶瓷及其应用

1.1.3 压电陶瓷的发展趋势

1.2 无铅压电陶瓷的研究现状

1.2.1 无铅压电陶瓷的主要研究体系

1.2.2 铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的研究进展

1.3 压电陶瓷纳米粉体制备方法

1.3.1 水热法

1.3.2 共沉淀法

1.3.3 熔盐法

1.3.4 溶胶-凝胶法

1.4 纳米陶瓷的烧结

1.4.1 纳米粉体的烧结特占

1.4.2 纳米陶瓷烧结方法

1.5 本课题主要研究意义及内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 本文的主要内容

第2章 碱金属铌酸盐纳米粉体的溶胶-凝胶法制备

2.1 含铌前驱溶液制备

2.1.1 引言

2.1.2 实验部分

2.1.3 含铌前驱溶液的性质

2.1.4 结论

2.2 溶胶-凝胶法制备铌酸钾纳米棒

2.2.1 引言

2.2.2 实验部分

2.2.3 结果与分析

2.2.4 结论

2.3 溶胶-凝胶法制备铌酸锂钠钾纳米粉体

2.3.1 引言

2.3.2 实验部分

2.3.2 结果与讨论

2.3.2 结论

2.4 铌酸锂钠钾纳米粉体的正交-四方相转变研究

2.4.1 引言

2.4.2 实验部分

2.4.3 结果与讨论

2.4.3 结论

第3章 碱金属铌酸盐纳米粉体的烧结性能研究

3.1 纳米粉体异常晶粒长大方法制备铌酸钠钾单晶

3.1.1 引言

3.1.2 实验部分

3.1.3 结果与分析

3.1.4 结论

3.2 放电等离子烧结制备铌酸钠钾纳米陶瓷

3.2.1 引言

3.2.2 实验部分

3.2.3 结果与分析

3.2.4 结论

第4章 铌酸锂钠钾陶瓷的性能及锰掺杂研究

4.1 铌酸锂钠钾陶瓷的正交-四方相转变研究

4.1.1 引言

4.1.2 实验部分

4.1.3 结果与分析

4.1.4 结论

4.2 铌酸锂钠钾陶瓷的锰掺杂研究

4.2.1 引言

4.2.2 实验部分

4.2.3 结果与分析

4.2.4 结论

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术成果

致谢