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材料是人类一切生产和生活的物质基础,日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。压电陶瓷作为一种机械能与电能相互转换的功能材料,以其独特的性能,已在电、磁、声、光、热、力等功能转换器件中发挥着重要的作用,遍及人类日常生活及生产的各个角落。
尽管压电陶瓷得到了迅猛的发展,目前市场上大规模使用的压电陶瓷材料主要是铅基压电陶瓷(PZT),但其成份的特殊性带来的环境污染问题却变得越来越不容忽视。随着环保意识的深入人心,国际上正通过各种法律、政策来减少进而杜绝含铅电子产品。压电材料的无铅化己经迫在眉睫,因此,发展非铅基的环境协调型压电陶瓷,是一项紧迫而又具有重大现实意义的课题。(K0.5Na0.5)NbO3(NKN)体系陶瓷是一种具有典型ABO3型钙钛矿结构的材料。因为Nb、K、Na金属对环境和人体来说都是友好物质,并且这类陶瓷为各向同性,通过改进传统烧结工艺后,其性能大大优于其它体系无铅压电陶瓷。(K0.5Na0.5)NbO3因其良好的压电性能备受各界关注,成为替代含铅压电材料的主要候选。
本文采用传统固相反应法制备了0.948(Na0.5K0.5)NbO3-0.052LiSbO3陶瓷,往其中分别加入1mol%ZnO、CuO、MnO2,研究了三种氧化物掺杂对KNN-LS压电陶瓷相结构和电学性能的影响。实验结果显示,掺杂改性后的KNN-LS电阻率有明显的提升,介电损耗有效地降低。居里温度略有下降,也仍保持在较高的350度左右,并且都实现了在压电系数d33基本不变或者减小很少的情况下,机械品质因子Q大幅提升。
进一步研究了极化条件对0.948(Na0.5K0.5)NbO3-0.052LiSbO3+lmol%CuO陶瓷的影响,从极化电场、极化温度和极化时间三个方面对极化工艺做调整。结果表明,KNN-LS-CuO陶瓷最佳极化条件即电场强度3kV/mm,极化温度为70℃,极化时间为30min。经过这个优化条件的极化之后,KNN-LS-CuO能获得良好的压电性能。
本文还在[0.94(K0.5Na0.5)NbO3-0.06LiNbO3]加入了一种新的铁电相BiAlO3。通过固相法制造KNN-LN-BiAlO3陶瓷,研究了BiAlO3掺杂对KNN-LN陶瓷相结构、显微结构、电性能的影响。试验结果表明,BiAlO3的固溶度为6mol%;掺杂之后的陶瓷仍然保持正交相结构,但掺杂使材料的晶面间距变小。SEM结果显示,掺杂BiAlO3明显抑制其晶粒的生长。掺杂之后,试样的电阻率明显上升,居里峰宽化。掺杂1mol%BA陶瓷试样可获得很好的性能:d33=183、Kp=0.31、Ec=1.(?)kV/mm、Pr=30μC/cm2、Tc=460℃。