铌酸钠钾系无铅压电陶瓷制备及其性能研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要压电陶瓷材料在超声换能器、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。铅基PZT材料在压电材料研究和应用领域一直占据着主导地位。但是铅的毒性很高，随着人们环境意识的提高，研发环境友好的无铅压电陶瓷己成为研发的热点材料之一。碱金属铌酸盐压电陶瓷以其优良的性能备受人们的关注。本论文探索了KNN陶瓷的固相合成法制备工艺和极化工艺，KxNa1-xNbO3无铅压电陶瓷当x在0.4～0.5范围变化时，生成的主晶相均为正交结构。KNN50压电陶瓷显示出较好的压电性能。KNN50压电陶瓷的最佳烧结温度为1050℃～1080℃之间。KNN压电

2、陶瓷的最佳极化工艺为：极化电场3kV/mm，极化温度120℃，极化时间20min。为进一步提高电学性能，对KNN陶瓷进行了LiNbO3(LN)掺杂改性。Lix(K0.5Na0.5)1-xNbO3无铅压电陶瓷当x≥0.04时出现K3LiNb6O17相，该相在陶瓷烧结过程中类似于液相的作用。当x≥0.08时出现LiNbO3相陶瓷性能下降，在x=0.06时存在正交－四方相准同型相界，陶瓷性能最优。LN的掺杂使KNLN陶瓷的TO-T降低，但TC增加。MnO2掺杂KNLNST压电陶瓷有细化晶粒的作用，使陶瓷变“硬”。陶瓷的TO-T温度提高，而居里温度TC则由未掺杂的310℃

3、左右提高到400℃。在MnO2掺杂量为0.5mol%时材料综合性能最好，此时d33=186pC/N，kp=41.8%，Qm=72，tanδ=0.051，εr=723，TC=400℃。CuO的掺杂降低了KNN-LS压电陶瓷的烧结温度。大大提高了陶瓷的机械品质因数，降低了介质损耗，对陶瓷起到硬化作用。将掺杂0.5mol%MnO2的KNLNST压电陶瓷应用到自行研制的直线型超声电机中，电机最大输出速度为20mm/s，最大输出力为0.5N。关键词：无铅，压电陶瓷，铌酸钠钾，电学性能，超声电机i铌酸钠钾系无铅压电陶瓷的制备及其性能研究ABSTRACTPiezoelectri

4、cceramicshavebeenwidelyusedinthefieldssuchastransducer,sensors,nondestructivetestingandcommunicationstechnologyetc.Pb(Zr,Ti)O3solidsolution(PZT)hasbeendominantinresearchandapplications,butoneofthemajordrawbacksofPZTmaterialsistheleadcontent.Accordingly,thesematerialsmayberestrictedinn

5、earfutureduetoenvironmentissues.Inthefieldoflead-freepiezoelectricceramics,manyresearchesfocusonthealkalimetalniobate-basedmaterials.Inthispaper,sodiumpotassiumniobate-basedceramicswereselectedastheexperimentalsystem.Thepreparationandpolingprocesswereresearched.ThecrystalstructuresofK

6、xNa1-xNbO3(KNN)ceramicsshowedorthogonalphaseasxincreasedfrom0.4to0.5.ThehighestpiezoelectricpropertieswereobtainedinKNN50.Theoptimalsinteringtemperaturewasbetween1050℃and1080℃.Thebetterpolingprocesswaspoledbyapplyingdcfieldof3kV/mmfor20mininsiliconeoilbathat120℃Lithiumsubstitutiononpr

7、opertiesofKNNceramicswereinvestigated.K3LiNb6O17phasewhichhasasimilarfunctionasliquidphasewasfoundinthespecimenswithx≥0.04.Thepiezoelectricpropertiesofthespecimenswithx≥0.08degradedduetothephaseofLiNbO3.Furthermore,LithiumsubstitutionlowedTO-TbutincreasedTc.Themorphotropicphaseboundar

8、y(MPB