铌酸钾钠-钛酸钡二元无铅压电陶瓷的低温烧结及电学性能增强机理研究

目前，锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷仍是压电换能器中应用最广泛的换能材料。然而，PZT压电陶瓷中氧化铅（PbO）的含量超过原料总质量的60%，PbO是一种易挥发的有毒物质，其在生产、使用及废弃处理过程中都会对人类和生态环境造成危害。随着环境保护的要求，研制新型环境友好的压电陶瓷材料已成为压电材料发展的必然趋势。本项目利用常压烧结技术，在较低的烧结温度下（<1000℃）制备NKN-BT二元无铅压电陶瓷；通过选择合适的掺杂元素和相结构调控进一步提高NKN-BT二元无铅压电陶瓷的电学性能，详细研究其电学性能增强机理。本研究对无铅压电陶瓷材料的发展将起到积极的推动作用，对无铅压电陶瓷换能器的制备具有重要价值。

摘要：.目前，锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷仍是压电换能器中应用最广泛的换能材料。然而，PZT压电陶瓷中氧化铅（PbO）的含量超过原料总质量的60%，PbO是一种易挥发的有毒物质，其在生产、使用及废弃处理过程中都会对人类和生态环境造成危害。随着环境保护的要求，研制新型环境友好的压电陶瓷材料已成为压电材料发展的必然趋势。.本项目确定了合适的铌酸钾钠和钛酸钡的成分配比，利用常压烧结技术，在铌酸钾钠-钛酸钡（NKN-BT）无铅压电陶瓷的基础上进行Zn，Li，Sb，Mn，Mg，Cu，Al，Fe等元素掺杂，在低于1000oC的烧结温度条件下成功制备了经过掺杂改性的 NKN-BT基二元无铅压电陶瓷，并对其显微结构、压电及介电等性能进行分析，研究了其电学性能增强机理。.实验表明，Zn，Li，Mn，Mg，Cu，Fe等的掺杂对陶瓷均起到了助烧的作用，并且在一定的掺杂量范围内显著提高了陶瓷的压电性能。当Zn掺杂量为0.01时，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值190 pC/N和24.6%。当Li掺杂量为0.056时，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值203 pC/N和26.8%。当Mn掺杂量为0.006时，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值187 pC/N和23..5%。当Mg掺杂量为0.005时，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值215 pC/N和31.2%。当Cu掺杂量为0.02时，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值210 pC/N和31.4%。当Fe掺杂量为0.007时，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值208 pC/N和32.6%。当Li为0.05，Mg为0.002，Ca为0.015，Zr为0.025时，四种元素共同掺杂的NKN-BT二元无铅压电陶瓷具有最优异的性能，陶瓷的压电常数（d33）及机电耦合系数（kp）分别达到最优值251 pC/N和37.6%。本研究对无铅压电陶瓷材料的发展将起到积极的推动作用，对无铅压电陶瓷换能器的制备具有重要价值。