低损耗高性能KNN基无铅压电陶瓷的制备与性能研究-材料学专业论文.docxVIP

摘要 摘要 AB ABSTRACT I I PAGE PAGE VI 摘 要 压电陶瓷是一类极其重要的电子信息功能陶瓷，已得到人类的广泛应用。随着 人类对环保意识的深入及可持续发展的需要，压电陶瓷的无铅化成为全社会关注的 焦点。因此，研究高性能的环境友好型压电材料及其制品是目前电子元器件行业的 一项紧迫任务，具有重大的现实意义。 在无铅压电陶瓷材料体系中，KNN 基压电陶瓷被认为是最具有实用化前景的 陶瓷体系之一。目前，对于 KNN 基无铅压电陶瓷的研究重点主要集中在传统工艺 上的各种取代及掺杂改性上。比如： LiSbO3 (LS)作为一种非铁电性助熔剂，能很 好地改善 KNN 陶瓷的烧结特性，并提高其压电性能，同时也引起陶瓷体矫顽场和 介电损耗的增加；另一方面，居里温度高、铁电性强的 BiFeO3 (BF)也被作为添加剂 改性 KNN 陶瓷，但由 于 BF 本身高的矫顽强以及 Fe2+、Fe3+共存引起大的漏电流给 改性后的 KNN 陶瓷的极化带来一定的困难。鉴于此，本文通过加入少量 Mn 希望 能改善此类陶瓷的极化特性，获得低介电损耗、高压电性能的 KNN 基无铅压电陶 瓷，并对其烧结工艺、相结构、微观组织与压电、介电性能之间的关系进行了综合 研究。主要研究内容和创新之处如下： 首先，系统研究了 KNN-LS4.5 陶瓷的合成和烧结工艺与其材料结构、微观组 织、介电压电性能的关系，确定了本论文实验合适的工艺路线：煅烧温度为 880℃ 左右，成型力为 150MPa，升温速率为为 4℃/min，烧成温度为 1090℃。 其次，系统研究了铁电/铁磁性复合材料 Bi(Fe1-xMnx)O3 掺杂改性上述陶瓷材料， 即(95.5-y) at.% (Na0.5K0.5)NbO3 -4.5 at.%LiSbO3 -y at.%Bi(Fe1-xMnx)O3 新型无铅压电 陶瓷材料，研究了不同 Fe/Mn 比、不同 Bi(Fe1-xMnx)O3 掺杂量及其烧结工艺对陶瓷 结构、微观组织、压电介电性能的影响。实验结果表明，当 Bi(Fe1-xMnx)O3 掺杂量 为 0.4 at.%、Fe/Mn 比为 1：1 时，陶瓷样品性能达到最优值：d33=280pC/N，tanδ=1.63%， kp=52.5%，Qm=64.5，Tc=345℃，To-t=50℃，Pr=21.5μC/cm2，Ec=9.5kV/cm。 第三，研究了不同 K、Na 比的 KsNtN-LS4.5-0.004BF5M5 无铅压电陶瓷的结构、 微观组织、压电与介电性能的影响。实验结果表明，s/t≤1 时能促进晶粒生长发育。 当 s/t=45：55 时，晶粒沿(100)面择优生长，并能有效提高陶瓷压电性能和机电耦 合系数：d33=316pC/N、kp=0.543。 最后，本文还制备了 KNN-LS4.5-0.004BF5M5-0.004KCT 四组元系无铅压电陶 瓷，研究了保温时间对该陶瓷组成、结构、微观组织、压电与介电性能的影响。实 验结果表明，该组分陶瓷在 1060℃下保温 12h 获得综合优异性能：d33=240pC/N， tanδ=1.156%，kp=50.6%，Qm=106，Tc～335℃，To-t=70℃。 关键词：无铅压电陶瓷；铌酸钾钠；改性；介电损耗 ABSTACT Piezoelectric ceramics is a kind of very important functional materials, which is applied to human widely. As the concept of environment protection arising and the requirements of sustainable development, lead-free piezoelectric ceramics has attracted much attention over the whole society. Therefore, high properties environment-friendly piezoceramics and their products for the electronic components industry is an urgent task, which will be of great pratical significance. KNN-based ceramic is recognized to be one of the most pratical prospect among the lead-free-material systems. At the present, it is