铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的低温烧结和受主掺杂

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(K,Na)Nb03(KNN)基无铅压电陶瓷材料因具有较高的居里温度和较好的压电性能而受到广泛关注,被认为是最有可能取代铅基压电陶瓷材料的重要材料体系之一。本文围绕KNN陶瓷材料的低温烧结和受主掺杂开展了一系列研究工作。尝试采用单一氧化物作为烧结助剂来解决KNN基陶瓷的碱金属挥发、容易分凝和烧结温度区间窄等烧结难题。首先采用一种简单的方法,发现Ge02等氧化物对KNN的烧结有明显的促进作用。进一步研究发现,受主掺杂0.5mol%Ge4+的(K0.5Na0.5)NbO3在800℃的合成温度下已经能合成出尺寸均匀和形貌规整的单相粉体,可以将KNN的合成温度降低约100℃。Ge4+和Ga3+受主掺杂的KNN陶瓷,最佳烧结温度明显下降,样品的最大压电常数d33分别为110pC/N和123pC/N,显著高于(K0.5Na0.5)NbO3压电常数最优值。研究了添加CuO和受主掺杂Cu2+对KNN陶瓷烧结和压电性能的影响,发现铜元素的添加除了可以显著降低烧结温度,还可以明显提高KNN陶瓷的机械品质因素Qm,而Ge4+和Ga3+的掺杂的KNN陶瓷Qm增加并不明显。这主要是由于Cu2+、Ga3+、Ge4+取代Nb5+后所带有效电荷不同,与氧空位的吸引力差别较大,Cu取代Nb产生的缺陷和氧空位缺陷间吸引力最大,可以形成一定量的缔合缺陷,从而限制畴壁移动,增大机械品质因素。论文还研究了 Ge4+、Ga3+、Cu2+掺杂对(K0.4725Na0.4725Li0.035)(Nb0.8Ta0.2)O3(KNLNT)陶瓷的烧结和压电性能的影响,纯KNLNT陶瓷烧结温度范围非常窄,几乎束缚在1080℃左右,压电常数值d33约为240pC/N。研究发现0.2mol%Ge4+、Ga3+、Cu2+的KNLNT陶瓷样品,它们的烧结温度可以分别拓宽到1000℃、1040℃和1000℃,并且其压电常数最优值分别为220pC/N,240pC/N和 200pC/N。
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