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无铅压电陶瓷(K_(0.44))Na_(0.52)Li_(0.04))(Ta_(0.2)Nb_(0.8))O_3-xCeO_2的制备与性能研究

作　者: 罗政军
导　师: 周忠祥
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 无铅压电陶瓷 KNN体系 CeO2掺杂 压电性能 温度稳定性
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


铅基压电陶瓷PZT等由于其优良的性能而被广泛应用,但是此类材料中含60%以上的有毒物质铅,在陶瓷的生产、使用和废弃处理过程中挥发出的铅将对人类和生态环境造成不可估量的污染,因此无铅压电材料的研究近年来受到人们越来越多的关注。K0.5Na0.5NbO3（KNN）系列无铅压电陶瓷由于具有较好的压电性能和高的居里温度,被认为是最有潜力取代铅基材料的压电体系之一。本文介绍了无铅压电陶瓷国内外的研究现状,对不同的陶瓷制备工艺进行了比较,利用传统固相反应法制备了(K0.44Na0.52Li0.04)(Ta0.2Nb0.8)O3-xCeO2 （x=0, 0.0025, 0.005, 0.0075, 0.01, 0.0125）无铅压电陶瓷,对制备出的陶瓷样品进行了结构和性能测试。用X射线衍射对陶瓷进行了结构表征,发现陶瓷呈现纯钙钛矿结构。从陶瓷扫描电镜照片发现随着CeO2掺杂量的增加,陶瓷晶粒均匀性改善,晶粒尺寸从未掺杂的5μm减小到2μm。用阿基米德排水法测量陶瓷的密度,发现随CeO2掺杂量的增加样品的密度先逐渐增大然后逐渐减小。对陶瓷进行介电性能测量,发现所有陶瓷样品的正交-四方相变温度TO-T均在室温附近,相变温度范围相对于未掺杂时得到拓宽和平滑。对样品进行电滞回线测量,剩余极化强度随CeO2掺杂量的增加先增加然后减小,而矫顽场随CeO2掺杂量的增加先减小然后增加。用准静态法测量陶瓷样品的压电常数并用谐振-反谐振频率法测量样品的机电耦合系数和机械品质因数,发现掺杂CeO2后比未掺杂时压电性能明显提高,且随着掺杂量的增加样品的压电常数、机电耦合系数和机械品质因数均是先升高后降低。当x = 0.0075,陶瓷呈现出最佳性能,密度ρ= 4.88 g/cm3,压电系数d33 = 182 pC/N,机电耦合系数kp = 0.31,其正交-四方相变温度为25℃～100℃,相对介电常数εr = 590,介电损耗tanδ= 1.02 %,机械品质因数Qm = 28,矫顽场Ec = 1.2 kV/mm,Pr = 4μC/cm2。CeO2掺杂(K0.44Na0.52Li0.04)(Ta0.2Nb0.8)无铅压电陶瓷具有宽的正交-四方相变温度范围,较好的温度稳定性,良好的压电性能,较低的相对介电常数,较小的机械品质因数,在超声换能器方面有广阔的应用前景。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9
  1.2 压电陶瓷的研究现状  9-16
    1.2.1 压电单晶  10
    1.2.2 无铅压电陶瓷的分类  10-12
    1.2.3 KNN基无铅压电陶瓷  12-16
  1.3 无铅压电陶瓷的应用  16-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-20
    1.4.1 选题依据  18
    1.4.2 主要研究内容  18-20
第2章 KNLTN-xCeO_2陶瓷的制备和结构表征  20-31
  2.1 陶瓷的制备工艺比较  20-22
    2.1.1 传统固相烧结  20
    2.1.2 热压烧结  20-21
    2.1.3 火花等离子烧结  21
    2.1.4 模板晶粒定向生长技术  21-22
  2.2 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的制备  22-24
  2.3 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的结构表征  24-29
    2.3.1 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的XRD测量  24-26
    2.3.2 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的SEM测量  26-28
    2.3.3 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的致密性测量  28-29
  2.4 本章小结  29-31
第3章 KNLTN-xCeO_2陶瓷的介电性能研究  31-40
  3.1 KNN体系陶瓷的相变改性  31-33
    3.1.1 准同型相界(MPB)  31-32
    3.1.2 多型相变(PPT)  32-33
  3.2 陶瓷的温度稳定性  33-35
    3.2.1 CaTiO_3 掺杂对KNN陶瓷温度稳定性的提高  34-35
    3.2.2 Ce掺杂对KNN陶瓷PPT的改变  35
  3.3 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的介电性能测试  35-38
    3.3.1 测量原理及测量系统  35-36
    3.3.2 介电温谱的测量  36-37
    3.3.3 相对介电常数和介电损耗的测量  37-38
  3.4 本章小结  38-40
第4章 KNLTN-xCeO_2陶瓷的铁电和压电性能研究  40-46
  4.1 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的铁电性能测量  40-41
    4.1.1 测量原理及测量系统  40
    4.1.2 样品的电滞回线  40-41
  4.2 KNLTN-xCeO_2 陶瓷的压电性能测量  41-45
    4.2.1 测量原理及测量系统  41-43
    4.2.2 压电常数和机电耦合系数的测量  43-44
    4.2.3 机械品质因数的测量  44-45
  4.3 本章小结  45-46
结论  46-47
参考文献  47-53
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  53-55
致谢  55

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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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