(K，Na，Li)(Nb，Ta)O-,3-陶瓷壓電性能溫度穩(wěn)定性的研究.pdf

1、壓電材料是實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的一類重要功能材料,在傳感器、諧振器、濾波器、蜂鳴器等電子元件和器件方面有著廣泛的應(yīng)用。其中,鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷(簡稱PZT)以其優(yōu)異的壓電性能和組分可調(diào)整性的特點占據(jù)了壓電材料的主要市場。但是,PZT制備需要使用大量的含鉛氧化物作為原料,在生產(chǎn)及廢棄的過程中會產(chǎn)生鉛污染,對人類的生存環(huán)境帶來危害。因此,發(fā)展環(huán)境協(xié)調(diào)性好的無鉛壓電陶瓷成為一項緊迫且具有重大實用意義的課題。
　　 近年來,(K,N

2、a)Nb03基（KNN基）陶瓷以其優(yōu)異的壓電性能成為目前無鉛壓電陶瓷材料的研究熱點。然而,最近研究表明目前所獲得的壓電活性較高的KNN基無鉛陶瓷材料在室溫附近均存在正交-四方結(jié)構(gòu)相交,因此壓電性能隨溫度的變化較大。因此,本論文以KNN基無鉛壓電陶瓷的壓電性能溫度穩(wěn)定性為中心內(nèi)容,在本實驗組的前期工作基礎(chǔ)上開展了較為系統(tǒng)深入的研究工作。論文內(nèi)容主要包括兩部分：(1)(K,Na,Li)(Nb,Ta)03(簡稱KNLNT)系列無鉛壓電陶瓷的壓

3、電活性及壓電性能溫度穩(wěn)定性。(2)KNN基無鉛壓電陶瓷電疇結(jié)構(gòu)的觀察方法。
　　 在本論文第一部分中,采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)方法制備了組分為的一系列陶瓷樣品,對其微觀組(KxN1-x)0.965Li0.035Nb0.80Ta0.20O3(x=0.30-0.70)的一系列陶瓷樣品,對其圍觀組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)、壓電性能和溫度穩(wěn)定性等內(nèi)容進行了系統(tǒng)的考察。研究發(fā)現(xiàn),該系列陶瓷樣品的晶體結(jié)構(gòu)隨著鉀含量的增加發(fā)生了由正交相到四方,然后

4、又到正交相的變化,相界分別位于x=0.40和x=0.60處。獲得了組分為x=0.55的高性能KNLNT陶瓷,其室溫壓電性能參數(shù)為d33=262 pC/N、kp=0.53、k33=0.63、E=1290、tanS=l.9％:機電耦合系數(shù)kp在-40。C至85℃的常用溫度范圍內(nèi)變化很小,且壓電性能在-150℃至300℃溫度范圍的熱老化試驗中無明顯的劣化。我們推測,該組分樣品的優(yōu)異壓電性能溫度穩(wěn)定性與其正交-四方結(jié)構(gòu)的共存溫度范圍有著密切的關(guān)

5、系。另一方面,對組分為x=0.50和x=0.55陶瓷樣品的測量發(fā)現(xiàn),在-100℃至室溫附近的溫度范圍內(nèi),kp值幾乎不隨溫度變化。換而言之,這些陶瓷樣品的正交相具有非常優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。
　　 基于正交相具有非常優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性的特點,我們認為“減少KNLNT陶瓷中的Li含量、提升正交-四方相變溫度至常用溫度區(qū)域的上限或之外”可能是改善壓電性能溫度依存性的有效方法。因此,我們對Li含量的影響進行了考察。實驗發(fā)現(xiàn),組分為(K0.5N

6、a0.5)0.975Li0.025Nb0.80Ta0.20O3的陶瓷樣品的TOT為57℃左右；室溫機電耦合系數(shù)kp值為49.5％,在-150-120℃的溫度范圍內(nèi)變化較小。此外,研究發(fā)現(xiàn),摻雜了5.0 mol％ Sb含量的(Ko.5Nao.5)0.985Li0.015Nb0.80Ta0.20O3和(K0.5Na0.5)0.98Li0.02Nb0.80Ta0.2003和陶瓷樣品具有較高的壓電活性,其d33分別為294 pC/N、348 p