无铅压电陶瓷的制备及性能研究.docVIP

(1-x)KNN-xCT 无铅压电陶瓷的制备及性能研究 摘 要：高压电常数、高机电耦合系数、高居里温度和低介电损耗的无铅压电陶瓷是现代压电陶瓷的研究重点，而碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷以其优越的性能而倍受关注。本文采用常规固相合成法制备了一系列CaTiO3 掺杂的(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷，实验结果表明KNN-CT 无铅压电陶瓷具有钙钛矿结构，且x=4%附近KNN-CT 陶瓷存在正交相与四方相共存的准同型相界，在常压条件下制得的陶瓷最大密度达到理论密度的99%，压电常数与机电耦合系数达到最大值：d33=94pC/N，Kp=33.2%，陶瓷具有典型的电滞回线，μC/cm2，Ec=1740V/mm。与纯KNN 陶瓷相比，KNN-CT 陶瓷正交和四方相变点和居里温度(Tc)降低，介电常数有大幅度的提高。　　关键词：无铅压电陶瓷；准同型相界；压电性能　　　　1 引言　　　　压电陶瓷是重要的功能材料之一，被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域。然而，现在所用的压电材料主要是铅基压电陶瓷[1]。氧化铅粉尘以及高温合成或烧结过程中挥发出来的氧化铅极易造成环境污染，会给人类及生态环境造成严重危害。开发无铅的环境协调性绿色压电陶瓷材料是一项紧迫而具有重要科学意义的课题[2]。　　（KNN）体系陶瓷是一种具有典型ABO3 型钙钛矿结构的材料。当时，KNN 陶瓷的机电耦合系数达到峰值，压电性能良好[3-6]。然而，采用传统陶瓷工艺难以获得致密性良好的陶瓷体。在前人研究的基础上，本文选择了添加CaTiO3(CT)进行掺杂改性，改善陶瓷的烧结性能，同时达到改善陶瓷电学性能的目的[9]。　　　　2 实验部分　　　　本文采用固相合成法制备无铅压电陶瓷。所有原料混合后以二氧化锆和酒精为分散介质球磨时间为24h，将球磨后原料放入烘箱中，在80℃条件下迅速烘干。干燥后预烧合成。预烧合成条件为960℃，保温6h。将粉体进行二次球磨，烘干粉体原料，加入PVA 黏结剂进行造粒，得到颗粒度比较均一的粉末。于不锈钢模中压成直径12 mm，厚2mm 圆形素坯。　　缓慢升温到600℃保温2h，排除坯片中的水分和PVA 黏结剂，成型后的坯片经高温常压烧结保温2h，可获得致密陶瓷体。经过磨片、人工被银，形成连续致密的银电极。在陶瓷上加强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向择优取向排列。本实验对陶瓷片采用的极化条件是：极化电场强度为2～3kV/mm，在120℃的硅油中极化15min。利用PANalytical X′型X 射线衍射仪对其相结构进行测试；采用JSM-5610LV 型扫描电子显微镜观察其断面的微观形貌；采用HP4284A 阻抗分析仪进行变温介电性能的测试；采用ZJ-D 型准静态测量仪和HP4294A 精密阻抗分析仪测试其压电性能。　　　3　结果与讨论　　　　3.1 射线衍射分析　　 为(1-x)KNN-xCT 无铅压电陶瓷的XRD 图谱，从图中可以看出，所有的陶瓷样品都为钙钛矿结构，没有其他相存在。当CaTiO3 含量在3%～5%之间时，KNN-CT 陶瓷中存在正交相和四方相共存的相结 构，因此该组陶瓷存在准同型相界。当CaTiO3 的含量依次从增加到8%时，(200)晶面处由原来的两个峰逐渐合成为一个峰，该现象表明随着的加入，KNN 陶瓷的相结构逐渐向伪立方相转变[7]。　　同时，也可以看到随着CaTiO3 的加入，陶瓷样品的衍射峰有整体向高角度移动的趋势，这是由于A、B 位离子被取代的结果。Ca2+取代了半径较大的Na+和K+，Ti4+取代了Nb5+，导致晶格常数发生变化，引起晶格收缩[8]，晶面间距也随之减小，衍射峰向高角度方向移动。　　　　3.2 显微结构分析　　 为最佳烧结温度下(1-x)KNN-xCT 陶瓷样品放大5000 倍的断面形貌图像。纯陶瓷的晶粒粗大，发育饱满，晶粒形貌为立方块状，气孔很多。但加入CaTiO3 后，晶粒尺寸明显减小，气孔率也逐渐降低，结构均匀。尤其是组分为4%，烧结温度为1130℃的陶瓷，结构均匀而致密，晶粒最细，尺寸降到1μm 以下，气孔也很少。然而，当CaTiO3 含量超过后，晶粒开始长成柱状，交叉分布，以致晶粒间逐渐形成孔洞，当含量增加到8%时，柱状晶粒又缩短，排列更为紧密。　　　　3.3 介温谱和相变特征分析　　 为(1-x)KNN-xCT 陶瓷样品从200℃到500℃的介温谱，测试频率为300KHz。纯的陶瓷在240℃和420℃分别存在两个相变，相变分别为正交相到四方相的相变和四方相到立方相的相变。对于添加CaTiO3 的样品，除了1%的组分在240℃时出现了正交相到四方相的转变外，其他组分TO-T 相变峰已经消失。加入CaTiO3 后，四方相