铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相结构和性能调控

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由于人们对环境问题的关注度越来越高,压电陶瓷的无铅化是未来发展的目标。铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷被认为是最有可能替代传统的锆钛酸铅基陶瓷的材料之一,引起了人们广泛的研究。相结构对KNN基压电陶瓷的电学性能影响很大,本文从调控该陶瓷的相结构出发,致力提高其压电性能,获得了具有优异电学性能的KNN基无铅压电陶瓷。在一般条件下,发现了除组分和温度之外影响KNN基陶瓷的第3个因素,即应力状态对该陶瓷相结构的影响。在特定组分的该类陶瓷中,残余压应力会使得正交相更容易存在。当对块体样品进行退火处理之后,其相结构从处理前的两相共存转变为以四方相为主,这样使得其压电性能的温度稳定性得到提高。对于室温时两相共存的KNN基无铅压电陶瓷,我们分析了该陶瓷中复杂的相界,以及相结构和性能之间的关系。发现以Na/K=52/48为界,存在着两种不同的四方相和正交相。对应于这种准同型相界的四方相KNN陶瓷表现出高的压电性能;但是相比于四方相与正交相之间的多晶型相转变效应,这两种四方相之间的相转变对压电和铁电性能的影响较小。通过采用BiFeO3和BiAlO3来调控KNN基陶瓷的相结构,获得了具有良好温度稳定性的KNN基无铅压电陶瓷。BiFeO3的加入可以使得该陶瓷发生相转变,而且有利于提高其烧结致密度和力学性能。在室温附近,我们获得了压电性能优异的KNN基陶瓷,d33*340pm/V, kp47.0%和Qm75。通过进一步精确控制陶瓷的相结构,可以获得压电性能的温度稳定性很好的KNN基陶瓷。当温度从室温上升到150oC时,该陶瓷压电常数d33*仅仅从303pm/V下降到264pm/V。适量BiAlO3的加入既提高KNN基陶瓷的烧结致密度,又增强电学性能及其温度稳定性,d33*322pm/V,Pr15.9μC/cm2。使用AgSbO3来精确调控组分优化后的KNN基陶瓷的相结构,获得了逆压电常数d33*高达598pm/V的KNN基陶瓷。为了将其应用到低温共烧的多层陶瓷驱动器中,我们分别添加LiF和CuO来实现该陶瓷的低温烧结。对于添加LiF的KNN基陶瓷,我们可以在低至900oC的烧结温度下获得d33*高达375pm/V的高密度块体。通过加入0.25wt%CuO,可以低至970oC的烧结温度下,获得d33*383pm/V,Qm188和相对介电常数为860的KNN基无铅压电陶瓷。
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