编号：FTJS107381
篇名： 软/硬性铌酸钾钠基织构压电陶瓷的制备及性能研究
作者： 刘东
关键词： 无铅压电陶瓷; 织构工程; 铌酸钾钠; 压电系数; 机械品质因数;
机构：北京科技大学
摘要： 在环境友好型无铅压电陶瓷体系中,K0.5Na0.5NbO3（KNN）基压电陶瓷因其具有高压电系数(d33)和高居里温度（Tc）被认为是最有望取代铅基压电陶瓷的候选材料。近年来基于组分和相结构调控,KNN基压电陶瓷的d33值得到了快速提升,甚至可以与“软性”铅基压电陶瓷相媲美。然而,这种提升d33性能的方法也使得KNN基陶瓷的Tc出现了显著降低,不利于其实际应用。晶粒取向模板法是一种可以在维持Tc不变的条件下使得其d33性能大幅度提升的制备方法。虽然已有研究阐明织构陶瓷中的织构度与其压电性能之间的关联规律,但围绕KNN基织构陶瓷仍存在两个厄待解决的问题:（1）提升KNN基织构压电陶瓷d33的作用机制不清楚。（2）是否可以在KNN基织构陶瓷中实现兼有高d33和高机械品质因数（Qm）性能。针对上述两个问题,本论文开展了如下研究: 以（1-x）(K0.5Na0.5)NbO3-xBi0.5Na0.5ZrO3-0.5 wt.%BiFeO3（KNN-xBNZ）体系为研究对象,探究织构工程与相结构调控协同作用对其d33性能的影响。结果表明:随着x含量增加,陶瓷的相结构由x=0.00时的正交相（O）转变为x=0.05时三方-正交-四方（R-O-T）多相共存,及x=0.06时的四方相（T）。由于R-O-T多相共存和织构化的协同作用,陶瓷样品的压电性能获得了显著提升。相比非织构陶瓷的压电性能d33=318 pC/N和kp=45%,KNN-0.05BNZ基织构陶瓷的d33和kp分别提升至420 pC/N和59%。同时阐明了织构度-相结构-电学性能之间的关联规律,为后续进一步提高陶瓷压电性能奠定了相关理论基础。 在上述研究基础上,设计了 0.97K0.5Na0.5Nb1-xSbxO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3-0.5 wt.%BiFeO3（KNN-xSb）基压电陶瓷,并研究了晶格软化与晶粒取向协同作用对陶瓷压电性能的影响。研究结果表明:Sb5+取代Nb5+将诱导其晶格软化,显著降低偶极子旋转能垒,提升本征压电响应;而借助织构模板法技术,构建<001>择优取向,促进铁电畴的极化翻转,强化非本征贡献。由于晶格软化和晶粒取向的协同作用,在KNN-5Sb基织构陶瓷（T-KNN-5Sb）中获得超高的压电性能:d33=807pC/N、d33～64.7×10-12·m2/N、k33=88%和Tc～245℃。为了进一步验证T-KNN-5Sb陶瓷的应用潜力,T-KNN-5Sb与环氧树脂组成的1-3型压电复合材料被研制。相比商用PZT-5复合材料,T-KNN-5Sb基1-3型压电复合材料展示出更优异的性能。该结果表明T-KNN-5Sb陶瓷在1-3型压电传感器领域具有巨大应用潜力。 为了获得综合性能优良的“硬性”KNN基压电陶瓷,设计了一系列K0.5Na0.5NbO3-0.75%CuO织构压电陶瓷。研究发现:随着NaNbO3（NN）模板含量的增加,陶瓷的d33和kp呈现先上升后下降的趋势,而Qm单调下降。当NN含量为3 wt.%时,K0.5Na0.5NbO3-0.75%CuO基织构压电陶瓷获得优异的综合性能:kp=58%,d33=134 pC/N,Qm=582,Tc～415℃。该结果表明基于织构模板法有利于获得综合性能优异的“硬性”KNN基无铅压电陶瓷。 基于上述问题,设计了“软-硬-软”三明治叠层结构,实现高d33和Qm性能。由于需要考虑它们的相结构匹配和烧结温度兼容性等原则,故具有高d33～450 pC/N的“软性”织构陶瓷和高Qm～540的“硬性”陶瓷组元被选择作为叠层单元。通过研究硬/软层厚度比对陶瓷d33与Qm的影响,揭示了“软-硬-软”三明治结构与压电性能的关联规律。研究结果表明:当在硬/软层厚度比为1:2时,“软-硬-软”三明治结构的KNN基陶瓷呈现优异的综合性能:d33=300pC/N,Qm=158,kp=49.1%。该结果为在KNN陶瓷中实现高d33和Qm性能提供了新思路。