熔盐法制备铌酸钾钠基压电陶瓷及其性能的研究

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本文以KxNa1-xNbO3(简写为NKN)陶瓷为主要研究对象,开展以下两部分研究工作。一是粉体制备:首先采用熔盐法合成NKN粉体,研究熔盐法制备NKN粉体的工艺参数:如熔盐含量、合成温度、熔盐种类对NKN粉体的影响。研究表明应用熔盐法很难一次性制备出各向异性的NKN粉体,因此,采用二次熔盐法来制备片状NaNbO3模板粉体。二是压电陶瓷制备:首先以熔盐法制备NKN粉体为原料,采用固相法制备NKN压电陶瓷并对其性能进行研究;在制备纯的NKN压电陶瓷的基础上添加助烧剂ZnO和CuO,对NKN压电陶瓷进行改性研究。其次以片状NaNbO3粉体为模板,借助流延成型工艺,采用反应模板法制备(Na0.5K0.5)0.94Li0.06NbO3(简称NKLN)织构型陶瓷。研究了熔盐含量、合成温度以及熔盐种类对NKN粉体形貌的影响。结果表明:通过熔盐法可以在650℃—850℃下合成纯钙钛矿结构的NKN粉体;随着合成温度的升高,粉体形貌从圆球状转变为立方结构,进一步提高合成温度,粉体形貌开始变得不规则;此外,合成粉体的尺寸随着熔盐含量的增加而增大,且粉体团聚现象明显减弱。以Na2CO3-K2CO3(摩尔比1:1)为熔盐,在熔盐与反应物的总质量比为1:3,合成温度为800℃保温4 h时制备出形貌规制、晶粒均匀的NKN粉体。研究了熔盐含量和合成温度对Bi2.5Na3.5Nb3O18(简称BNN5)粉体形貌的影响,研究发现随着合成温度的升高BNN5粉体的尺寸逐渐增大,温度继续升高,粉体尺寸增加并不明显;随着熔盐含量的增加,BNN5粉体晶粒尺寸逐渐增大。在1100℃下保温3h,在熔盐与反应物的总质量比为1:1时,可以制备出尺寸较大(平均粒径15μm)、边缘相对整齐的前躯体BNN5粉体。以上述条件制备的BNN5为前躯体,采用熔盐法在950℃下,熔盐与反应物的总质量比为1:1时,可以制备出大尺寸和高度各向异性的NaNbO3模板晶粒粉体。以熔盐法合成的NKN粉体为原料,添加适量的ZnO和CuO为烧结助剂,采用普通陶瓷制备技术制备NKN陶瓷,研究了烧结助剂和制备工艺条件对NKN压电陶瓷性能的影响。结果表明:当烧成温度为1080℃时体积密度达到最大值3.81g/cm3,在1060℃保温2h所制备NKN压电陶瓷具有优异的压电性能和介电性能,其中压电常数d33=124 pC/N,机电耦合系数kp=0.27,介电常数ε33T0=345,居里温度Tc达406℃,Pr=20.62μC/cm2,Ec=3.45 kV/mm。以片状NaNbO3为反应模板剂,按照(Na0.5K0.5)0.94Li0.06NbO3化学计量,以固相法合成的NaNbO3,KNbO3和LiNbO3为反应物,采用RTGG法制备NKLN织构化压电陶瓷,研究制备工艺对NKLN织构化压电陶瓷性能的影响。研究发现:经1080℃烧结所制备NKLN的陶瓷体积密度达到最大值3.80g/cm3,并具有优异的压电性能和介电性能,其中压电常数d33=118 pC/N,机电耦合系数kp=0.354,介电常数ε33T0=357,居里温度Tc达429℃。结果表明采用RTGG技术制备的NKLN压电陶瓷沿(001)方向取向性生长明显,所得织构陶瓷各向异性生长比较显著。
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