碱金属铌钽锑酸盐无铅压电陶瓷的制备和性能表征

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Sb、Ta、Li改性铌酸钾钠体系是当今无铅压电陶瓷领域的研究热点。Sb的电负性比Nb的强,可以增强铌酸钾钠体系的共价性,提高其压电性能。因此,本课题把Sb含量固定在较高值(6mol%),考虑到烧结过程中Na比K更容易挥发,因此使Na比K稍微过量,在组分(Na0.52K0.48)(Nb0.96Sb0.04)O3的基础上,加入等摩尔量的Li和Ta来形成准同型相界,以期获得优良性能。然后优化烧结工艺,并研究CuO掺杂对基体材料性能的影响。本实验研究范围内,Li+,Ta5+、Sb5+与铌酸钾钠完全均一固溶。钽酸锂的加入改善体系的烧结性能,而粒度分布不均匀;增加钽酸锂含量,材料的室温相结构由正交相向四方相转变,在0.035<x<0.04之间形成准同型相界。相变导致体系的居里温度(Tc)增加,正交-四方相变温度(To-t)向室温移动,从而改善体系性能。x=0.04的样品,性能优良,d33=335 pC/N,kp=53%,ε33T =2063,Qm=41,Tc=291oC,有望作为实际应用。结果表明,加入较高含量的Sb并把组成设计在两相共存区附近,可以有效提高材料性能。烧结制度对样品性能有重要影响。烧结温度低,保温时间短,起始组分中Na过量,导致晶粒异常长大。增加烧结温度,延长保温时间,晶粒生长发育完善,致密度增加,到1100 oC达到最大值;继续增加烧结温度和保温时间,碱金属挥发加剧,致密度降低。同时,碱金属挥发导致样品的To-t向低温方向移动,氧空位增加,居里温度Tc小幅增加,矫顽场Ec增大,进而影响样品的电性能。实验发现,在1100 oC保温3h烧结的样品的综合性能最好。实验中掺杂的(0-1.5)mol%CuO能与基体相完全固溶。CuO的掺杂降低体系的烧结温度:掺杂1mol%CuO并在1020 oC烧结的样品,其密度与1100 oC烧结的未掺杂样品的密度相当。CuO的掺杂小幅降低c/a值,弱化体系的四方性,进而影响其铁电性:掺杂量为(0-0.5)mol%,Cu2+进行A位取代,降低矫顽场Ec,减小c/a值,弱化四方性,剩余极化Pr降低;掺杂量为(0.5-1.5)mol%,Cu2+进行B位取代,增加矫顽场Ec,剩余极化Pr则由于晶粒发育更完善而有所增加。掺杂少量氧化铜(0.125mol%)可以提高材料的压电性能,使d33、kp值增大,Qm值减小;掺杂量超过0.5mol%,d33、kp值降低,Qm值升高。
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