水热合成铌酸盐粉体及掺杂改性压电陶瓷性能的研究
压电、铁电陶瓷材料广泛应用在换能器、驱动器、滤波器、谐振器等频率元件领域，是一种重要的功能材料。压电陶瓷的研究起源于BaTiO3(BT)陶瓷，目前应用最为普遍的是Pb(Zr1-xTix)O3体系陶瓷。由于Pb的毒性以及在铅基压电陶瓷生产和处理的过程对环境造成的污染，从环境保护和可持续发展的角度出发，压电陶瓷的无铅化是压电陶瓷材料的发展方向。铌酸钾钠体系无铅压电陶瓷有着较高的压电性能和居里温度，被视为是最有希望取代铅基压电陶瓷的候选材料，受到了研究者的广泛关注。
本课题采用水热法合成了铌酸钾（KNbO3）、铌酸钠(NaNbO3)、钽酸钠(NaTaO3)和锑酸锂(LiSbO3)粉体。结合传统固相烧结工艺制备了K0.5Na0.5(Nb1-xTax)O3(x=0.00,0.02，…，0.10)、(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBiFeO3(x=0.00,0.002，…，0.012)和(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xLiSbO3(x=0.00,0.01，…，0.09)陶瓷，研究了水热合成工艺条件对粉体的物相结构及NaTaO3、BiFeO3和LiSbO3掺杂对于KNN体系陶瓷的相结构、微观形貌及压电介电性能的影响。
以KOH、NaOH、LiOH、Li2CO3、Nb2O5、Ta2O5和口Sb2O5为原料，采用水热法制备了KNbO3、NaNbO3、NaTaO3和LiSbO3粉体。研究了水热反应参数对于粉体物相结构的影响。实验结果表明KNbO3的水热合成条件为:前驱液浓度KOH∶Nb2O5=13∶0.5，保温温度230℃，保温时间24h。NaNbO3的水热合成条件为:前驱液浓度NaOH∶Nb2O5=6∶0.5，保温温度230℃，保温时间24h。NaTaO3水热合成条件为:前驱液浓度NaOH∶Ta2O5=1.5∶0.05，保温温度230℃，保温时间24h。LiSbO3的水热合成条件为:前驱液浓度Li2CO3∶Sb2O5=0.2∶0.1，外加矿化剂LiOH0.7mol/L，保温温度240℃，保温时间36h。以上所有水热反应的填充比均为70％。
以水热合成的KNbO3、NaNbO3、NaTaO3粉体为原料，通过传统固相烧结工艺制备了K0.5Na0.5(Nb1-xTax)O3陶瓷。研究了Ta的掺杂对于KNN陶瓷物相组成、压电性能和介电性能的影响。实验结果表明随着前驱溶液中Ta含量的提高，K0.5Na0.5(Nb1-xTax)O3陶瓷的压电常数先升后降，当Ta掺杂量为8％mol时压电性能较好，最佳烧结温度975℃下获得的陶瓷样品的压电常数d33达到125pC/N，机电耦合系数kp达到0.29，机械品质因数Qm为128。同时K0.5Na0.5(Nb1-xTax)O3陶瓷的介电温谱表明Ta的掺杂会引起陶瓷四方-立方相变的弛豫现象。
以水热合成的KNbO3、NaNbO3、BiFeO3粉体为原料，通过传统固相烧结工艺制备了(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBiFeO3陶瓷。研究了BiFeO3的掺杂对于KNN陶瓷物相组成、压电性能和介电性能的影响。实验结果表明随着BiFeO3掺杂量的提高，(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBiFeO3陶瓷的压电常数先升后降，当BiFeO3掺杂量为1％mol时压电性能较好，最佳烧结温度1085℃下获得的陶瓷样品的压电常数d33达到135pC/N，机电耦合系数kp达到0.29，机械品质因数Qm为110。同时(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBiFeO3陶瓷的介电温谱表明BiFeO3掺杂能够使KNN-BF陶瓷的居里温度Tc小幅度先升后降，使其正交-四方相变温度TO-T从223℃降低至181℃。
以水热合成的KNbO3、NaNbO3、LiSbO3粉体为原料，通过传统固相烧结工艺制备了(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xLiSbO3陶瓷，研究了LiSbO3掺杂对于KNN陶瓷的相结构、微观形貌、压电性能和介电性能的影响，结果表明LiSbO3的掺杂引起了陶瓷的正交-四方和四方-立方相转变温度的下降，当LiSbO3掺杂量为7％mol时，陶瓷的立方-四方和四方-正交相转变温度降分别由423℃、207℃降低至305℃和33℃，这是一种多晶型相变行为(PPT)而并非传统的准同型相界(MPB)，也是陶瓷压电性能提高的原因。1055℃下获得的0.93KNN-0.07LS陶瓷压电性能达到最优，其压电常数d33为201pC/N，kp为0.36，Qm为130，Pr为25μC/cm3，矫顽场Ec为1kV/mm。
无铅压电陶瓷;水热合成;掺杂改性;相结构;铌酸盐粉体
陕西科技大学
硕士
材料科学与工程
谈国强
2013
中文
TM282
65
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）