NaNbO3-LiTaO3無鉛壓電陶瓷的制備、相結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性及其變壓器研究.pdf

1、壓電鐵電陶瓷是一類重要的先進(jìn)功能材料，廣泛應(yīng)用于信息的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、檢測、顯示等方面。目前，大多數(shù)鐵電壓電陶瓷為鉛基陶瓷，主要以PbTiO3-PbZrO3(PZT)二元系及以PZT為基加入復(fù)合鈣鈦礦的三元系為主。這些鉛基陶瓷在準(zhǔn)同型相界處具有優(yōu)異的壓電鐵電介電性能，已被用于制作致動(dòng)器、換能器、傳感器等電子及微電子器件。但這些含鉛陶瓷的使用已經(jīng)嚴(yán)重危害到生態(tài)環(huán)境及人類健康。因此，開發(fā)性能優(yōu)異且環(huán)境友好型的無鉛壓電陶瓷材料具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意

2、義。
　　本論文將反鐵電體NaNbO3和鐵電體LiTaO3結(jié)合固溶形成了一種新型的（1-x)NaNbO3-xLiTaO3無鉛壓電鐵電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)方法制備了該固溶體，系統(tǒng)地研究了該體系的物相、微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)（介電、壓電和鐵電）性能和反鐵電-鐵電相變特性等，獲得了固相反應(yīng)方法最優(yōu)材料配方;然后，進(jìn)一步研究了燒結(jié)溫度對(duì)最優(yōu)組成0.88NaNbO3-0.12LiTaO3陶瓷的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響;最后，在優(yōu)化配方及燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)

3、上，獲得了可應(yīng)用于壓電變壓器的陶瓷樣品，制備了圓盤型壓電陶瓷變壓器，表征了壓電變壓器的工作性能。通過以上研究，得到了如下創(chuàng)新性結(jié)果:
　　(1)構(gòu)建了(1-x)NaNbO3-xLiTaO3新型無鉛壓電鐵電陶瓷，系統(tǒng)研究了組成對(duì)該體系的物相、微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)（介電、壓電和鐵電）性能、反鐵電-鐵電相變特性的影響。研究結(jié)果表明:隨著LiTaO3摻雜量的增加，陶瓷逐漸由一個(gè)正交相(空間群為Pbcm)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)正交相(空間群為P2221);

4、在0.14＜x＜0.18時(shí)，材料具有由以上兩種不同正交對(duì)稱相形成的類準(zhǔn)同型相界的特征;過量的LiTaO3摻雜會(huì)誘發(fā)晶粒異常生長;反轉(zhuǎn)電流I-E測試證實(shí)了純NaNbO3陶瓷中存在著電致相變，其可能是反鐵電態(tài)(AFE)或微極性態(tài)到鐵電態(tài)(FE)的相變;微量的LiTaO3摻雜能夠在NaNbO3反鐵電體中誘發(fā)出鐵電態(tài):隨著x增加，(1-x)NaNbO3-xLiTaO3陶瓷經(jīng)歷了從AFE態(tài)占主導(dǎo)(即Pbcm對(duì)稱性正交相，0≤x≤0.14)到FE態(tài)

5、占主導(dǎo)（即P2221對(duì)稱性正交相，0.18≤x≤0.25)的轉(zhuǎn)變過程;在x=0.06-0.18處陶瓷具有良好的鐵電性能(Pr=16.0-28.1μC/cm2)，壓電性能(d33=41-72pC/N，kp=16.4-21.1％)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm=632-1333)和居里溫度(TC=288-335℃);在x=0.12處，陶瓷具有最高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm=1333);因具有高居里溫度，該陶瓷顯示出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。
　　(2)燒結(jié)溫度

6、是影響壓電鐵電材料的重要工藝參數(shù)。故本論文研究了燒結(jié)溫度對(duì)最優(yōu)組成0.88NaNbO3-0.12LiTaO3陶瓷的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:升高燒結(jié)溫度有利于晶粒的生長和鐵電性的增強(qiáng)，較大晶粒的陶瓷具有較強(qiáng)的鐵電性，從而表現(xiàn)出更好的壓電性能;通過優(yōu)化燒結(jié)工藝，得到0.88NaNbO3-0.12LiTaO3陶瓷的最佳燒結(jié)溫度為1330℃，在此燒結(jié)溫度下，該陶瓷具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)(Qm=1469，d33=49pC/N，kp=21.

7、6％，tanδ=1.02，TC=305℃)和良好的溫度穩(wěn)定性，適合應(yīng)用于壓電變壓器。
　　(3)基于0.88NaNbO3-0.12 LiTaO3陶瓷優(yōu)異的硬性電學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)并制備了圓盤型壓電陶瓷變壓器。樣品在基頻和三倍頻下的輸入輸出阻抗均在諧振頻率時(shí)最小;根據(jù)輸入、輸出阻抗特性測定了變壓器的等效電路參數(shù)。研究結(jié)果顯示:轉(zhuǎn)換效率特性—在基頻徑向振動(dòng)模式下，當(dāng)匹配負(fù)載為26.8kΩ時(shí)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了最高效率(92％);升壓比特性—在匹