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铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的掺杂改性研究

作　者: 孟晗琪
导　师: 杨颖；王一平
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 无铅压电陶瓷 铌酸钠钾 掺杂改性 烧结温度 烧结密度 居里温度
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本项目受国家自然科学基金（项目编号:50735002）及江苏省高技术研究计划项目（项目编号:BG2006005）资助。压电陶瓷作为一种机械能和电能相互耦合的材料,近几十年来广泛应用于家用电器、工业产品、航空航天等领域。当前,生产和生活中使用的压电材料主要以锆钛酸铅基压电陶瓷为主。但这一体系材料在制备过程中会产生严重的铅污染,而且相关器件报废后的处理过程中也会对环境带来不可恢复的危害。研究开发环境友好型无铅压电材料成为迫在眉睫的任务。铌酸钠钾基无铅压电陶瓷是目前研究较为广泛的无铅压电材料之一。与锆钛酸铅系压电陶瓷相比,铌酸钠钾基无铅压电陶瓷具有较高的居里点,但也存在介电常数和压电性能较低,烧结困难等不足。针对这些问题,本论文以铌酸钠钾基无铅压电陶瓷为研究对象,从成分设计、烧结工艺、掺杂改性等方面对材料的显微结构和电学性能的影响进行系统的研究。采用普通固相法制备0.96(K0.5Na0.5)NbO3-0.04LiTaO3压电陶瓷,研究了MgO的不同掺杂量对其烧结温度的影响。结果表明:掺入MgO能够使材料在较低的温度下完成致密化过程,并获得综合性能优异的压电陶瓷材料。当MgO含量为0.25 mass%时,材料的烧结温度可降低到1060°C,综合性能为d33 = 128 pC/N,kp = 33.4%,Qm = 149,εr = 611,tanδ= 2.84%。为进一步优化[(K0.48Na0.535)0.94Li0.06]NbO3的压电性能,对其掺杂Yb2O3进行改性。研究得出:稀土金属Yb3+的掺入能够大幅度提高材料的烧结密度,改善材料的性能。但掺杂量过多时材料晶粒细化,性能反而下降。Yb2O3含量为1 mass%时,获得综合性能较好的压电陶瓷:ρ= 4.5484 g/cm3,d33 = 156 pC/N,kp = 37.69%,εr = 1051,tanδ= 3.8%。以改善材料居里温度和O-T转变温度为目标,研究碱金属族元素Li+、Rb+和Cs+的引入对(K0.5Na0.5)Nb0.8Ta0.2O3陶瓷材料使用温度范围的影响规律。结果表明,加入0.04 mol Li2CO3可以增强材料四方相的稳定性,提高材料的居里温度,同时O-T转变温度也降到室温附近,改善了陶瓷材料在室温下的性能:d33 = 185 pC/N,kp = 44%,TC = 335°C,TO-T = 32°C,tanδ= 4.2%。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 引言  12
  1.2 压电材料简介  12-15
    1.2.1 压电效应与压电材料  12-13
    1.2.2 压电陶瓷材料简介  13-14
    1.2.3 压电陶瓷应用  14-15
  1.3 无铅压电陶瓷体系  15-17
    1.3.1 无铅压电陶瓷的研究意义  15
    1.3.2 无铅压电陶瓷分类  15-16
    1.3.3 无铅压电陶瓷的新型制备技术  16-17
  1.4 KNN 系无铅压电陶瓷  17-21
    1.4.1 KNN 系无铅压电陶瓷简介  17-18
    1.4.2 KNN 系无铅压电陶瓷研究进展  18-20
    1.4.3 KNN 系无铅压电陶瓷的制备方法  20-21
  1.5 课题研究内容与论文安排  21-22
第二章 铌酸钠钾基无铅压电陶瓷制备及性能表征  22-33
  2.1 引言  22
  2.2 固相反应法制备压电陶瓷工艺过程  22-27
    2.2.1 原料选择与配料  23-24
    2.2.2 混合球磨  24
    2.2.3 预烧  24
    2.2.4 二次球磨  24-25
    2.2.5 造粒成型  25
    2.2.6 排塑烧结  25-26
    2.2.7 被电极  26
    2.2.8 极化  26-27
  2.3 压电陶瓷性能表征  27-33
    2.3.1 压电陶瓷物相分析  27
    2.3.2 压电陶瓷显微结构分析  27-28
    2.3.3 陶瓷密度测试  28
    2.3.4 压电陶瓷电学性能表征  28-33
第三章 铌酸钠钾基无铅压电陶瓷烧结性能的研究  33-45
  3.1 引言  33
  3.2 MgO 对0.96(K_(0.5)Na_(0.5))N_6O_3-0.04LiTaO_3 陶瓷烧结温度的影响  33-39
    3.2.1 实验概述  33-34
    3.2.2 MgO 对KNN-LT 陶瓷物相结构的影响  34
    3.2.3 MgO 对KNN-LT 陶瓷微观形貌的影响  34-35
    3.2.4 MgO 对KNN-LT 陶瓷压电性能的影响  35-36
    3.2.5 MgO 对KNN-LT 陶瓷介电性能和线收缩率的影响  36-37
    3.2.6 MgO 对KNN-LT 陶瓷烧结温度的影响  37-38
    3.2.7 MgO 对KNN-LT 陶瓷铁电性能的影响  38-39
    3.2.8 小结  39
  3.3 Yb_2O_3 对[(K_(0.48)Na_(0.535))_(0.94)Li_(0.06)]NbO_3 陶瓷烧成密度的影响  39-44
    3.3.1 实验概述  39
    3.3.2 Yb_2O_3 对KNLN 陶瓷物相结构的影响  39-40
    3.3.3 Yb_2O_3 对KNLN 陶瓷微观形貌的影响  40-42
    3.3.4 Yb_2O_3 对KNLN 陶瓷烧结温度以及密度的影响  42-43
    3.3.5 Yb_2O_3 对KNLN 陶瓷电学性能的影响  43-44
    3.3.6 小结  44
  3.4 本章小结  44-45
第四章 铌酸钠钾基无铅压电陶瓷使用温度的研究  45-54
  4.1 引言  45
  4.2 实验概述  45-46
  4.3 Li_2CO_3 掺杂的KNNT 基压电陶瓷  46-51
    4.3.1 Li2CO_3 对KNNT 基陶瓷物相结构的影响  46-47
    4.3.2 Li2CO_3 对KNNT 基陶瓷使用温度范围的影响  47-48
    4.3.3 Li2CO_3 对KNNT 基陶瓷电学性能的影响  48-50
    4.3.4 Li2CO_3 对KNNT 基陶瓷铁电性能的影响  50-51
    4.3.5 Li2CO_3 对KNNT 基陶瓷微观形貌的影响  51
  4.4 Rb_2CO_3 和Cs_2CO_3 掺杂的KNNT 基压电陶瓷  51-53
  4.5 本章小结  53-54
第五章 总结与展望  54-56
  5.1 本文工作总结  54-55
  5.2 下一步工作建议与展望  55-56
参考文献  56-60
致谢  60-61
攻读硕士学位期间发表的论文  61

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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