本文關(guān)鍵詞：多元素?fù)诫s鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷結(jié)構(gòu)與性能研究

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【摘要】：近年來(lái)環(huán)境友好型鈮酸鉀鈉((K,Na)NbO3,簡(jiǎn)寫KNN)基無(wú)鉛壓電陶瓷材料廣受關(guān)注。然而,與傳統(tǒng)的鉛基壓電陶瓷相比,KNN基材料具有燒結(jié)性能差、堿金屬易揮發(fā)、電學(xué)性能較差等不足。因此,通過(guò)組分調(diào)控以及改進(jìn)制備工藝等方面來(lái)提高KNN基材料的各方面性能是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。本文選用0.5Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(簡(jiǎn)稱BCTZ)、Li0.8Ni0.2Nb0.96O3(簡(jiǎn)稱LNN)以及Li、Ta、Sb等對(duì)KNN陶瓷進(jìn)行摻雜研究,探索多元素?fù)诫s對(duì)鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的影響特征。采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法,制備了K0.5Na0.5NbO3-x[0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3](簡(jiǎn)稱KNN-BCTZx,x=0-0.06)、 K0.48Na0.52NbO3-xLi0.8Ni0.2Nb0.96O3(簡(jiǎn)稱KNN-LNNx, x=0-0.040)和[(K0.49Na0.51)1-xLix](Nb0.90Ta0.04Sb0.06)O3(簡(jiǎn)稱KNLxNTS,x=0.04,0.07)系列壓電陶瓷。分別研究了KNN-BCTZx和KNN-LNNx陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、鐵電、介電及壓電性能的影響,并分析了其結(jié)構(gòu)與性能之間的作用機(jī)理,同時(shí)研究了室溫下具有兩相共存特征的KNLxNTS(x=0.04,0.07)陶瓷體系在不同極化電場(chǎng)下其結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能的變化特征,探索極化電場(chǎng)對(duì)KNN基材料性能影響的機(jī)理。KNN-BCTZ體系研究發(fā)現(xiàn),BCTZ能夠與KNN形成全新的固溶體,且無(wú)次晶相形成。在0.03≤x≤0.04之間,具有斜方-偽立方相兩相共存的特征。適量BCTZ的摻入能夠促進(jìn)KNN-BCTZx陶瓷的晶粒的生長(zhǎng),然而當(dāng)摻入量大于3mo1%后,抑制晶粒生長(zhǎng)。隨著B(niǎo)CTZ摻入量的增大,陶瓷的TC和TO-T往低溫方向移動(dòng),同時(shí)出現(xiàn)彌散相變的特征,材料逐漸由正常鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)槌谠バ澡F電體。當(dāng)摻入量為6mo1%時(shí),其彌散度Y為1.71。綜合來(lái)看,陶瓷樣品的最佳性能出現(xiàn)在斜方-偽立方相兩相共存區(qū)域。當(dāng)x=0.03時(shí),其壓電性能達(dá)到最佳值：d33=136 pC/N,ε33T/ε0=861.5,tanδ=0.04,kp=26.5%、kt=27%,Qm=25。KNN-LNN體系研究發(fā)現(xiàn),LNN摻雜陶瓷均形成了單一的斜方鈣鈦礦結(jié)構(gòu),當(dāng)LNN摻入量x≥0.01時(shí),出現(xiàn)了次晶相K5.75Nb10.85O30。次晶相的產(chǎn)生與Ni2+進(jìn)入B位取代Nb5+有關(guān)。Ni2+進(jìn)入B位造成了Nb5+過(guò)量,從而形成次晶相。LNN的摻入能夠顯著地促進(jìn)了陶瓷晶粒的生長(zhǎng),提高陶瓷的致密度,且LNN的摻入,陶瓷樣品居里點(diǎn)處的介電極值明顯高于未摻雜樣品。當(dāng)x=0.02時(shí),陶瓷樣品的電學(xué)性能最佳：Pr=23.92μC/cm2,d33=110± 3 pC/N,kp=27.15%、kt=27.75%。而樣品的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)則在摻入量為3.5 mo1%時(shí)達(dá)到最大值,為195。電場(chǎng)誘導(dǎo)KNLxNTS陶瓷相結(jié)構(gòu)和性能變化研究發(fā)現(xiàn),隨著極化電場(chǎng)Ep的逐漸增加,組分x=0.04和x=0.07的樣品均出現(xiàn)了電場(chǎng)誘導(dǎo)相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。極化后的樣品均斜方相結(jié)構(gòu)程度大幅提高,且KNL0.07NTS樣品極化后出現(xiàn)次晶相K3Li2Nb5O15。次晶相的形成主要與極化電場(chǎng)誘導(dǎo)下Li+的遷移和結(jié)構(gòu)的變形有關(guān)。電場(chǎng)誘導(dǎo)相結(jié)構(gòu)變化有利于電疇的偏轉(zhuǎn),從而使陶瓷的壓電常數(shù)d33隨極化電場(chǎng)增加而增高。研究表明,對(duì)于KNN基陶瓷,除了通過(guò)溫度和組分因素誘導(dǎo)相變,電場(chǎng)也是一種誘導(dǎo)材料相變有效途徑,可提升材料的電學(xué)性能。
【關(guān)鍵詞】：無(wú)鉛壓電陶瓷 KNN 摻雜 電場(chǎng)誘導(dǎo) 結(jié)構(gòu) 性能
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ174.1
【目錄】：

• 作者簡(jiǎn)介6-8
• 摘要8-10
• abstract10-14
• 第一章 緒論14-29
• 1.1 引言14
• 1.2 壓電陶瓷的基本特征14-18
• 1.2.1 壓電性14-15
• 1.2.2 鐵電性和電疇結(jié)構(gòu)15-16
• 1.2.3 壓電陶瓷的應(yīng)用16-17
• 1.2.4 鉛基壓電陶瓷及其無(wú)鉛化要求17-18
• 1.3 無(wú)鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.4 KNN基壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀21-27
• 1.4.1 KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)和相變特征21-23
• 1.4.2 KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷摻雜改性研究23-26
• 1.4.3 KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷制備工藝研究26-27
• 1.4.4 極化電場(chǎng)對(duì)KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷結(jié)構(gòu)性能研究27
• 1.5 論文選題與研究?jī)?nèi)容27-29
• 第二章 K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3基壓電陶瓷的制備與性能表征29-38
• 2.1 樣品的制備29-34
• 2.1.1 配方29
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)用料及設(shè)備29-34
• 2.2 陶瓷樣品的晶相及微觀結(jié)構(gòu)分析34-35
• 2.2.1 陶瓷的X射線粉晶衍射分析34
• 2.2.2 掃描電鏡表征34-35
• 2.3 陶瓷樣品的性能測(cè)試35-38
• 2.3.1 陶瓷樣品體積密度的檢測(cè)35
• 2.3.2 介電性能測(cè)試35-36
• 2.3.3 壓電性能測(cè)試36-37
• 2.3.4 鐵電性能測(cè)試37-38
• 第三章 (Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Zr_(0.1)Ti_(0.9))O_3摻雜對(duì)KNN陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的影響38-45
• 3.1 引言38
• 3.2 KNN-BCTZx陶瓷的晶相及微結(jié)構(gòu)特征38-40
• 3.2.1 KNN-BCTZx陶瓷的晶相特征38-39
• 3.2.2 KNN-BCTZx陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)39-40
• 3.3 KNN-BCTZx陶瓷的性能特征40-44
• 3.3.1 KNN-BCTZx陶瓷的介電性能40-42
• 3.3.2 KNN-BCTZx陶瓷的鐵電性能42-43
• 3.3.3 KNN-BCTZx陶瓷的壓電性能43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第四章 Li_(0.8)Ni_(0.2)Nb_(0.96)O_3對(duì)KNN陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的影響45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 KNN-LNNx陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)和微形貌特征45-49
• 4.2.1 KNN-LNNx陶瓷的晶相特征45-47
• 4.2.2 KNN-LNNx陶瓷的微觀形貌與體積密度47-49
• 4.3 KNN-LNNx陶瓷的性能特征49-53
• 4.3.1 KNN-LNNx陶瓷的介電性能49-51
• 4.3.2 KNN-LNNx陶瓷的鐵電性能51-52
• 4.3.3 KNN-LNNx陶瓷的壓電性能52-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 第五章 電場(chǎng)誘導(dǎo)KNL_xNTS陶瓷的相結(jié)構(gòu)及性能變化54-63
• 5.1 引言54
• 5.2 電場(chǎng)誘導(dǎo)KNL_xNTS陶瓷的相結(jié)構(gòu)特征54-59
• 5.2.1 不同極化電場(chǎng)下KNL_xNTS陶瓷的X射線衍射分析54-57
• 5.2.2 不同極化電場(chǎng)下KNL_xNTS陶瓷的拉曼光譜分析57-59
• 5.3 電場(chǎng)誘導(dǎo)KNL_xNTS陶瓷的性能特征59-62
• 5.3.1 不同極化電場(chǎng)下KNL_xNTS陶瓷的介電性能59-61
• 5.3.2 不同極化電場(chǎng)下KNL_xNTS陶瓷的壓電性能61-62
• 5.4 本章小結(jié)62-63
• 第六章 結(jié)論與展望63-65
• 6.1 結(jié)論63
• 6.2 展望63-65
• 致謝65-66
• 參考文獻(xiàn)66-74

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