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BNZ組分對KNN基無鉛壓電陶瓷結構和性能的影響

1184   編輯:中冶有色網   來源:李博森,廖忠新,高大強  
2024-04-19 08:41:55
壓電陶瓷是一類重要的功能材料,可將電能與機械能相互轉換[1,2] 鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷具有優異的壓電性能,但是其中的鉛危害環境和人體健康[3] 鈮酸鉀鈉(KNN)基無鉛壓電陶瓷具有良好的壓電性能且環境友好,受到了極大的關注 但是,純相鈮酸鉀鈉陶瓷的居里溫度Tc = 415℃,壓電性能參數為d33 = 125 pC/N,kp = 0.40[4],表明其性能遠不如PZT陶瓷 2004年日本Y.Satio用反應模板定向生長法(TGG)制備的正交-四方(O-T)兩相共存的鋰鉭銻共摻雜KNN基織構陶瓷,其壓電常數d33為416 pC/N,機電耦合系數kp達到0.61[5],可與商業PZT媲美 翟繼衛等用TGG法制備了組分為0.96(K, Na)(Nb, Sb)O3-0.01CaZrO3-0.03(Bi, K)HfO3的織構陶瓷,其壓電常數達到了驚人的700 pC/N[6] 可用Li+部分代替A位的Na+/K+,或者用Sb5+代替B位的Nb5+以使O-T相變移動至室溫,得到極高的d33[7,8] 將(Bi, Na)ZrO3或(Bi, Na)HfO3等ABO3型氧化物摻入(K, Na)NbO3或(K, Na)(Nb, Sb)O3中,可使其O-T相變點下移或R-O相變點上移[9~15],進而壓縮O相溫度區間使其在室溫發生R-T相變[15~18],提高陶瓷的d33[16~24] 多相共存的KNN基陶瓷內的相界不同于PZT陶瓷中的準同型相界(MPB),稱為多晶型相界(PPB)[8,25~27] 在兩相共存處疇壁能量勢壘較低,陶瓷易于極化,因此具有較高的壓電性能 MPB是一種組分不隨溫度改變的相界,因此在不同的溫度下PZT陶瓷的兩相含量不變,使其保持優異的壓電性能 但是,目前報道的PPB其組分受溫度的影響較大,兩相共存相的比例隨溫度的變化使其壓電性能不穩定[28] 同時,KNN基陶瓷的壓電性能對成分的變化較為敏感且其燒結溫度窗口較窄 因此,提高工藝穩定性,能重復制備高性能的KNN陶瓷,是實現其實用化的關鍵 傳統固相法,是制備無鉛壓電陶瓷的主要方法 燒結方式,對陶瓷體晶粒生長、致密度以及壓電性能有重要的影響 兩步燒結法,可大幅度提高陶瓷致密度和降低陶瓷中低熔點物質揮發[29~31] 這種燒結方式簡便易操作,得到的樣品致密度高 基于此,本文用傳統固相法制備(1-x)K0.48
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