论文部分内容阅读
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷是被广泛研究的一类无铅压电陶瓷。然而,KNN基陶瓷依然存在一些问题,诸如烧结温区较窄,通常只有20-30℃的范围;烧结过程中存在碱金属元素的大量挥发;常规烧结方法制备致密性良好且性能优良的陶瓷较为困难等。本论文中,首先通过高能球磨法制备亚微米/纳米尺度的K0.5Na0.5NbO3粉体,研究不同的制备参数对粉体粒度的影响,获得具有不同尺度的K0.5Na0.5NbO3粉体;接着,结合冷烧结工艺,对高能球磨得到的粒径约120 nm的K0.5Na0.5NbO3粉体进行冷烧结,分别探究了退火温度、去离子水含量、液相种类对陶瓷结构和电学性能的影响,并系统地研究了陶瓷样品的晶体结构、显微结构、介电、铁电等电学性能;此外,采用传统烧结方法制备了K0.48Na0.52NbO3-xmol%KF陶瓷,研究了 KF添加对陶瓷的结构和电学性能的影响规律。具体研究内容如下:（1）选取具有简单组成的K0.5Na0.5NbO3（KNN）为研究对象。为获得亚微米/纳米尺度的粉体,采用高能球磨方法进行粉料球磨。称取原料,采用高能球磨混料（称作一次球磨）,并对球磨料采用不同的温度进行预烧,探究了一次球磨时间及预烧温度对粉体物相的影响。对预烧粉体再次采用高能球磨法进行球磨（称作二次球磨）,探究了二次球磨时间对粉体粒径的影响规律。结果发现,随着一次球磨时间的增加,获得纯相的预烧温度逐渐降低;XRD结果表明,在550℃预烧,所有粉体均不能获得完全纯相;当温度为600℃时,除了一次球磨1 h和2h的粉体没有得到纯相外,其他粉体样品均表现为纯相。当温度为650,700,800℃时,只有一次球磨1h的粉体没有得到纯相。之后选择不同一次球磨时间及不同预烧温度的粉体,进行二次高能球磨。对于一次球磨4 h并在650℃预烧（记作4h-650℃）的试样,二次球磨1h和2h粉体的颗粒尺寸明显下降;继续增加二次球磨时间,颗粒尺寸变化不明显;球磨16 h的粉体平均颗粒尺度约为200 nm。对与2h-700℃和8h-600℃的粉体试样发现类似规律。（2）采用上述高能球磨法制备的K0.5Na0.5NbO3粉体,结合冷烧结工艺制备K0.5Na0.5NbO3陶瓷。冷烧工艺含有两个阶段步骤,即冷烧阶段和退火阶段。详细研究了两阶段中添加去离子水含量、添加液相种类、退火温度等参量对所得陶瓷的结构和电学性能的影响。发现在固定去离子水含量和冷烧温度的条件下,不同退火温度对陶瓷样品的电学性能有很大的影响。冷烧温度180℃,添加去离子水含量20 wt%,退火温度1100 ℃（记作1100-180-20,下文均采用类似记法）陶瓷样品的室温介电损耗tanδ=0.03,介电常数εr为345,温谱曲线上对应的最大介电常数为6076,介电击穿场强高于92.5 kV/cm。1100-180-20试样在最大测试电压92.5 kV/cm下的剩余极化强度Pr,最大极化强度Pm,矫顽场Ec分别为26.4μC/cm2,32.5 μC/cm2,12.3 kV/cm。采用冷烧辅助烧结成功制备了添加不同去离子水含量的KNN陶瓷。所有试样的相对密度均在94%以上。所有试样的晶粒约为3～4μm。1100-180-0试样（即未添加去离子水）的具有较大的矫顽场Ec=17.1 kV/cm,较小的剩余极化强度Pr=20.8μC/cm2和最大极化强度Pm=26.4 μC/cm2。添加不同去离子水都使KNN的矫顽场减小,剩余极化强度和最大极化强度增大。所有添加去离子水的冷烧试样,其铁电性能较1100-180-0样品的铁电性能更优。1100-10-180试样的压电应变常数d33*=140 pm/V;1100-15-180 试样的d33*=149pm/V;1100-20-180 试样的d33*=146 pm/V。在测试电压E=50 kV/cm时,添加去离子水进行冷烧的样品的d33*都在150-180 pm/V间,均高于1100-180-0样品的d33*=138 pm/V。采用冷烧辅助烧结成功制备了添加不同悬浮液的KNN陶瓷。样品均具有致密的显微结构。1100-180-10,1100-180-10-K（添加 K2CO3溶液）和 1100-180-10-Na（添加Na2CO3溶液）陶瓷试样的室温介电损耗tan.δ分别为0.09、0.05和0.08,室温介电常数εr分别为326、391和422上述试样各项性能均优于1100-180-0样品的性能。其中,1100-180-10和1100-180-10-Na样品的性能更优,矫顽场Ec分别为10.8 kV/cm和10.7 kV/cm;剩余极化强度Pr分别为23.8 μC/cm2和27.5μC/cm2;最大极化强度Pm分别为29.0 μC/cm2和32.1 μC/cm2。添加去离子水和悬浮液均有利于提高KNN的介电性能。（3）采用传统固相法制备K0.48Na0.52NbO3-xmol%KF陶瓷,分别在965～1065℃烧结2小时,研究了添加KF对陶瓷样品的结构和电学性能的影响。发现与未添加KF的K0.48Na0.52NbO3陶瓷样品相比,K0.48Na0.52NbO3-xmol%KF陶瓷样品具有更致密的显微结构;相应地,K0.48Na0.52NbO3-xmol%KF表现出更佳的电学性能,其具有压电常数d33=105 pC/N,室温介电常数εr=496,室温介电损耗tanδ=0.03,最大极化强度Pm=27.3 μC/cm2和剩余极化强度Pr=21.6 μC/cm2（测试电压E=47.5 kV/cm）。采用扫描探针显微镜压电力模式观察K0.48Na0.52NbO3-xmol%KF陶瓷的电畴随外场的响应情况,发现随着电场的变化,陶瓷的电畴极易翻转,对应于其良好的铁电性能。