论文部分内容阅读
锆钛酸铅陶瓷Pb(Zr, Ti)O3(PZT)具有优良的压电性能，目前仍广泛用于压电振子、传感器以及换能器等领域。但是，PZT或以PZT为基的陶瓷中含有大量的氧化铅，在生产、使用及废弃的过程中会给人类健康及生态带来严重影响。世界各国相继出台了各种法规法令，禁止或限制氧化铅的使用。因此，寻找与环境协调性好、压电性能优良的无铅压电陶瓷成为一项重要和紧迫的任务。近年来，钛酸铋钠（Bi0.5Na0.5TiO3，简称BNT）及铌酸钠钾（K0.5Na0.5NbO3，简称KNN）基无铅压电陶瓷受到了广泛的关注，这两类材料都具有替代PZT陶瓷的潜力。在此背景下，本论文主要完成了如下工作: (1)采用固相法制备(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.8La0.2FeO3(BNT-BLF)、0.94Bi0.5Na0.5TiO3-(0.06-x)BaTiO3-xK0.5Na0.5NbO3(BNT-BT-KNN)、(1-x)K0.5Na0.5 NbO3-xBi0.8La0.2FeO3(KNN-BLF)及(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3(KNN-BZT)无铅压电陶瓷;另外，为了与固相法对比，还通过等静压法制备了相同体系的KNN-BLF无铅压电陶瓷。 (2)系统地研究了(1-x)BNT-xBLF(0.0125≤x≤0.0625)陶瓷的组分、晶体结构与电学性能之间的关系，实验结果表明:当BLF的含量为0.0125时，BNT-BLF陶瓷形成三方-正交准同型相界(MPB)。在MPB成分附近，陶瓷的电学性能得到了较大提升，其中压电常数d33及机电耦合系数Kp分别达到了128pC/N及0.30。更为重要的是: BLF引入提高了KNN-BLF陶瓷退极化温度(Td)，在MPB附近(x=0.0125)，陶瓷Td为163℃，相对于其它BNT基无铅压电陶瓷有明显的提高。这为进一步发展具有高Td的BNT基无铅压电陶瓷提供了线索。 (3)研究了0.94BNT-(0.06-x)BT-xKNN(0≤x≤0.06)陶瓷晶体结构及电学性能之间的关系。我们发现:在整个成分范围内，所有样品在室温下都具有近三方-四方MPB结构，同时，所有样品具有较高的电学性能。其中x=0.01时，陶瓷具有最大压电系数、机电耦合系数及电致应变，分别为118 pC/N、0.29及0.28％。结果表明，BNT-BT-KNN体系是具有扩展MPB结构低成分敏感性的无铅压电陶瓷。 (4)研究了(1-x)KNN-xBLF（0.005≤x≤0.040）陶瓷制备工艺、晶体结构及电学性能之间的关系。XRD分析表明，该体系在x=0.005～0.02为正交-四方MPB结构。固相法制备的陶瓷在x=0.015时得到最佳压电性能，剩余极化强度Pr为25.1μC/cm2，压电系数d33为123pC/N;而等静压制备的KNN-BLF陶瓷由于提高了材料的密度，使得陶瓷的电学性能有所提高，剩余极化强度Pr为22.5μC/cm2，压电系数d33为138pC/N(x=0.010)。 (5)本文首次发现(1-x) KNN-xBZT透明无铅铁电陶瓷。实验结果表明，当0.05≤x≤0.10时，通过传统的固相法就可以制备出具有较高透明度的KNN-BZT无铅铁电陶瓷。电学性能测试结果显示，在0.05≤x≤0.10的范围内，KNN-BZT陶瓷的电学性能相差不大，其中饱和极化强度(Ps)、剩余极化强度(Pr)、铁电-铁电相变温度及居里温度Tm分别约为18μC/cm2、6μC/cm2、170℃及290℃。根据电滞回线测试结果，可以预期KNN-BZT铁电陶瓷应具有二次电光效应，这为进一步发展新型透明电光陶瓷提供了线索。