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三元系BNT基无铅压电陶瓷的制备与性能研究(4)

时间:2023-03-12 10:33来源:毕业论文
针对BNT无铅陶瓷存在的问题,材料工作者做了大量的改性研究,所涉及的性能改善方法可以概括为四个方面,分别是多组元改性、离子掺杂改性、添加烧结

针对BNT无铅陶瓷存在的问题,材料工作者做了大量的改性研究,所涉及的性能改善方法可以概括为四个方面,分别是多组元改性、离子掺杂改性、添加烧结助剂改性、制备技术改进[11]。

1。3。3 铌酸钾钠(KNN)基 

KNN 是由铁电体铌酸钾( KNbO3,KN)和反铁电体铌酸钠( NaNbO3,NN)组成,美国科研人员 L。 Egerton 和 D。M。Dillon[12]等人最先研究了其压电性能。KNN 基无铅压电陶瓷的优点是居里温度高,压电常数大,机电耦合系数高,另外KNN 基无铅压电陶瓷还具有理论密度低、频率常数大、声学性能好等特点,可应用的领域十分广泛。然而 KNN 基无铅压电陶瓷在实际的工业生产中存在很多的问题需要解决,为此国内外学者对其进行了大量的研究工作。

 KNbO3-NaNbO3系统的相图[12]

图1。2是NaNbO3-KNbO3 系统的相图,可以看出其反应过程十分复杂,而且其固溶体的相稳定在1140℃左右,烧结温度区间较窄,不易烧出结构致密的陶瓷产品。此外高温烧结的过程中还会造成碱金属的挥发,导致陶瓷体实际的化学成分与计算的成分比例偏离,这会直接影响到陶瓷产品的稳定性和可重复性,因此在传统陶瓷制备工艺条件下制备的 KNN 基压电陶瓷产品的性能很不稳定。虽然采用热压或者等静压等新的工艺手段可以制得致密的 KNN 陶瓷体,但也存在成型尺寸有限,成本太高等问题。目前,采用传统的陶瓷制备技术进行掺杂改性依然是 KNN 基无铅压电陶瓷的主要研究方向,Guo[13]等研究发现Li+掺杂可以同时提高 KNN 陶瓷的电学性能和居里温度。 Sb5+、 Ta5+等离子的 B位掺杂以及 Li+、 Sb5+、 Ta5+等离子的 A、B位复合掺杂都可以显著改善 KNN 陶瓷的性能。但KNN 基无铅压电陶瓷还需不断的改进,使其生产工艺更加成熟、性能更加可靠,才可能在将来得到广泛的应用。

1。3。4 铋层状结构 

铋层状结构铁电体首先由 B。 Aurivillius[14]在1949年发现,所以铋层状结构铁电体又被成为奥里维里斯化合物。一般它的化学通式可表示为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,铋层状结构是由二维钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2- 和(Bi2O2)2+层,沿 C 轴方向交替排列而成, 其中A和B分别是满足配位数为12和6且半径和价位合适的离子。m 表示C 轴方向上相邻(Bi2O2)2+层间钙钛矿层的层数,通常 m 为整数,其值一般在1~5之间,一般来说,陶瓷的压电活性随 m 的增大而增大,而居里温度随 m 的变化则相反。 

铋层状结构铁电体中有很多具有典型的压电性,是主要的无铅压电陶瓷体系之一。它具有明显的各向异性,居里温度高(Tc 500℃以上),机械品质因数较高(Qm 2000以上),温度频率系数低,介电常数低(εr 100-200),抗老化、抗击穿性能好等优点,可应用于高温高频领域[15]。文献综述

1。3。5 钨青铜结构 

钨青铜结构化合物最先由 A。 Magneli[16]合成,钨青铜结构的铁电体数量仅次于钙钛矿结构铁电体,是第二大类铁电材料。钨青铜结构是由[BO6+]式氧八面体组成,八面体以顶角相连的方式构成骨架结构。研究发现钨青铜结构的铌酸盐中的电、光性能优异,这些铌酸盐陶瓷材料在铁电、光电领域具有很好的应用前景。但是作为压电材料,钨青铜结构依旧存在这矫顽场大、极化困难以及烧结特性差等问题。近几年来,国内外学者主要从稀土掺杂和工艺改进等方面对钨青铜结构压电陶瓷进行研究。尽管通过改性研究,钨青铜结构陶瓷的性能得到了明显的改善,但是该体系目前的压电性能还远没有达到替代 PZT 陶瓷的水平,还需进一步的探索和研究。

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