Ag^+掺杂Na_(0.5)K_(0.5)NbO_3无铅压电陶瓷的无压烧结及性能研究

铅基压电陶瓷在制备、使用及废弃处理过程中都会造成环境污染,随着环保意识的增强,无铅压电陶瓷必将逐步替代铅基压电陶瓷。Na0.5K0.5NbO3是一种很有潜力的无铅压电陶瓷,掺杂各种元素提升Na0.5K0.5NbO3陶瓷的压电性能成为当今研究热点之一。本研究以Ag2O、Na2CO3、K2CO3、Nb2O5为原料,经750℃焙烧分别合成了Na0.5K0.5NbO3和AgNbO3粉料,再经配料、混料与成型,在1060℃埋粉烧结,制备出Ag+掺杂的Na0.5K0.5NbO3无铅压电陶瓷(xAgNbO3-(1-x)Na0.5K0.5NbO3,ANKN),并在较宽成分范围内(Ag+含量,x=0～50at%)系统研究了Ag+掺杂对ANKN陶瓷性能的影响。XRD结果表明,ANKN陶瓷的主相为钙钛矿型结构,当x>16at%,开始出现K5.75Nb10.85O30杂相,随着Ag掺杂量的增加,杂相的衍射峰增强。电学性能测试结果表明,当x<20at%,随Ag掺杂量的增加ANKN陶瓷的压电常数、介电常数等略有升高;当x>20at%,ANKN陶瓷的各项性能均开始降低;Ag掺加量为x=16at%时ANKN陶瓷性能最佳,压电常数d33达到110pC/N,平面机电耦合系数kp为30%,相对介电常数εr为358,居里温度Tc为300℃。

织构化K0.5Na0.5NbO3无铅压电陶瓷的性能研究

以分析纯Na2CO3、Bi2O3和Nb2O5为原料,以NaCl为熔盐,采用二次熔盐法和拓扑化学反应法合成各向异性片状NaNbO3粉体。以该片状NaNbO3粉体为模板晶粒,以固相法合成的NaNbO3和KNbO3粉体为基料,采用流延工艺制备出较高取向度的织构化K0.5Na0.5NbO3(KNN)无铅压电陶瓷,系统研究了模板含量、烧结温度和保温时间等工艺参数对织构化KNN陶瓷显微结构和压电性能的影响规律。研究结果表明:随着模板含量的增加,陶瓷的取向度逐渐增加,当模板含量为15 wt%时,陶瓷的取向度可达0.69,当模板含量为10 wt%,1100℃下保温5 h烧结,可以获得具有一定织构度(f=0.58)的KNN陶瓷,并表现出优异的压电性能,d33=128 pC/N。

(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Mg0.5Ti0.5)O3无铅弛豫铁电陶瓷的介电、铁电和高储能行为

利用传统固相法制备了(1–x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Mg0.5Ti0.5)O3(简写:(1–x)KNN-x BMT,x=0.05,0.10,0.15,0.20)无铅弛豫铁电陶瓷,并对其相结构、微观形貌、介电特性与储能行为进行了系统的研究.研究结果表明,随着BMT含量的增加,(1–x)KNN-x BMT陶瓷由正常铁电体逐渐转变为弛豫铁电体,表现出强烈的弥散相变特征,其最大极化强度Pmax随之逐渐降低.当x=0.15时,陶瓷具有最大的击穿电场,为275 kV·cm^–1.采用间接方式对(1–x)KNN-x BMT陶瓷的储能性能进行计算,发现当BMT的含量为x=0.15时,可获得最佳的储能性能:当场强为275 kV·cm^–1时,可释放储能密度Wrec为2.25 J·cm^–3,储能效率h高达84%.鉴于实际应用的需求,对各组分陶瓷进行直接测试,结果表明随掺杂量的增加,储能密度Wdis呈现先增大后减小的变化趋势,当x=0.15时,储能密度为1.54 J·cm^–3,放电时间仅为88 ns.另外,该材料在1—50 Hz范围内具有良好的频率稳定性,在25—125℃范围内具有良好的温度稳定性,储能密度的变化量低于8%.该研究表明KNN-BMT陶瓷在环境友好高储能密度电容器领域具有广阔的应用前景.

Na0.5K0.5NbO3无铅压电陶瓷放电等离子烧结的制备工艺

由于Na,K在高温下容易挥发,因而采用普通陶瓷烧结工艺难以得到致密的碱金属铌酸盐系陶瓷,只能通过热压烧结制备高密度的铌酸钾钠(NaNbO3-KNbO3)系无铅压电陶瓷.本研究采用放电等离子烧结(SparkPlasma Sintering,SPS)技术,通过配料、研磨混料、焙烧、SPS烧结、退火工艺后,制备出白色略带黄色的Na0.5K0.5NbO3压电陶瓷试样.在烧结过程中,没有观察到明显的碱挥发,试样密度随烧结温度的增加而增大,860℃以上温度烧结时,试样的密度达到4.22g/cm3(为理论密度的92%).采用分步极化方法对试样进行极化,即先在高温下用低电压极化,再在低温下用高电压极化,极化后样品的压电常数d33为37pC/N～49pC/N.

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3无铅压电陶瓷的烧结特性

为了制备高性能无铅压电陶瓷,采用固相合成法和水热法合成了(KxNa1-x)NbO3(KNN)无铅压电陶瓷粉体。利用压制成型法在不同压力下成型,对不同粉体的烧结性能进行了对比,研究了粘结剂(PVA)添加量和陶瓷密度之间的关系,测量了用不同电压极化后陶瓷的压电特性,以及介电常数与温度之间的关系。结果表明:与固相合成法相比,水热合成的粉体有更好的烧结性,添加K会降低陶瓷的烧结性,陶瓷的密度对烧结温度非常敏感。1 050℃保温2 h得到的K0.5Na0.5NbO3陶瓷具有较高的压电常数d33(90 pC/N),该陶瓷的居里温度为410℃。

铋掺杂对(Na_(0.5)K_(0.5))NbO_3无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统陶瓷工艺制备了掺铋(Na0.5K0.5)NbO3(NKN)无铅压电致密陶瓷,研究了Bi2O3对(Na0.5K0.5)NbO3晶体结构和压电性能的影响。结果表明:当Bi2O3含量小于0.7%(质量分数,下同)时,能得到具有纯钙钛矿结构的NKN基陶瓷,其烧结温度随着Bi2O3掺杂量的增加而升高,试样密度与纯NKN陶瓷相比有显著提高。(Na0.5K0.5)NbO3压电常数d33,机电耦合系数kp、kt随Bi2O3含量的增加先升高而后降低,并在x=0.5%时达到最大值,而且机械品质因子Qm大大提高。当Bi2O3掺杂量为0.5%时,(Na0.5K0.5)NbO3无铅压电陶的密度达4.46g/cm3,表现出优异的压电性能,d33=138pC/N,kp=46%,kt=44%,tanδ=2.9%,εr=466和Qm=167。

无铅压电陶瓷K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-BiFeO_3的烧结工艺与压电性能研究

采用传统常压固相烧结工艺制备了掺杂0.8at%BiFeO3(BF)的K0.5Na0.5NbO3(KNN)无铅压电陶瓷,着重研究了烧结温度与保温时间对陶瓷的晶体结构、相转变、致密度与压电、介电性能的影响.研究结果表明,所有陶瓷样品都为单一的钙钛矿结构,烧结温度与保温时间对陶瓷样品的室温晶体结构与相转变温度几乎没有影响,但对陶瓷的表面形貌、密度和压电性能有较大的影响.当保温时间为3h,在1100℃至1150℃范围内,随烧结温度的升高,陶瓷的压电常数d33、平面机电耦合系数Kp及机械品质因数Qm均一直升高,介电损耗tanδ则显著降低.当烧结温度为1150℃时,随保温时间的增加,陶瓷的压电性能先显著提高后基本保持不变.1150℃保温2h烧结的陶瓷获得良好的性能:密度ρ=4.50g/cm3(致密度为95.63%),d33=132pC/N,Kp=45%,Qm=333.73,tanδ=2.39%.

铜掺杂对(Na_(0.5)K_(0.5))NbO_3无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统固相反应法对(Na0.5K0.5)NbO3压电陶瓷进行铜掺杂改性研究。使用SEM、XRD并结合常规压电陶瓷性能测试手段对该体系的显微结构、压电性能等进行表征。研究结果表明:CuO的掺入使材料出现“硬化”现象,即材料的压电系数d33、平面机电耦合系数Kp和介电损耗tanδ下降了,机械品质因子Qm大大提高;CuO掺入量在1%mol时各项性能最佳。另外,从SEM图片中可以看出:(Na0.5K0.5)NbO3压电陶瓷材料的平均晶粒尺寸随着CuO掺入量的增加明显变大。这表明CuO有烧结助熔作用,能降低烧成温度。

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-LiSbO_3-BiMnO_3无铅压电陶瓷的常压烧结与压电性能

采用传统的无压固相烧结法工艺制备微量掺杂0.2%(摩尔分数)BiMnO3(BM)的0.95K0.5Na0.5NbO3(KNN)-0.05 LiSbO3(LS)陶瓷,并研究烧结保温时间对陶瓷的结构与压电、介电性能的影响规律。研究结果表明,随烧结保温时间的延长,陶瓷的压电常数d33和机电耦合系数kp先显著升高,当保温时间为7 h时,趋于稳定,介电常数εr也随保温时间的延长而升高;机械品质因数Qm和介电损耗tanδ则一直降低。在1 100℃保温烧结9 h时,陶瓷具有最好的电性能:压电常数d33=228 pC/N,机电耦合系数kp=43%,机械品质因数Qm=55,介电损耗tanδ=0.017 8;随保温时间的延长,陶瓷的相转变温度θo-t有所降低,居里温度θc则明显升高。所有陶瓷样品在35～200℃内的介电损耗tanδ均有小于0.02。

Na_(0.5)K_(0.5)NbO_3织构化陶瓷制备与表征

采用凝固法制备出各向异性的片状钛酸钡作为模板,利用模板晶粒生长(TGG)法制备出Na0.5K0.5NbO3(NKN)织构化陶瓷.研究了NKN织构化陶瓷的工艺、组织和性能.研究结果表明,钛酸钡可以作为NKN陶瓷的模板,在陶瓷烧结过程中诱导NKN晶粒的生长,模板的取向决定了NKN陶瓷晶粒取向,随着烧结温度的升高陶瓷的压电性能(d33)达到69 pC/N,在合理的烧结工艺下得到了取向比较明显的织构化陶瓷.

LiSbO3含量对BiMnO3掺杂K(0.5)Na(0.5)NbO3陶瓷的结构与压电性能的影响研究

采用传统陶瓷常压烧结工艺制备(0.996–x)KNN-0.004BM-xLS(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06)无铅压电陶瓷,着重研究了LS的含量对(0.996–x)KNN-0.004BM-xLS陶瓷相结构和压电性能的影响。结果表明,当x≤0.02时,陶瓷具有单一的正交相结构;当0.03≤x≤0.05时,陶瓷具有正交相与四方相共存的过渡结构;当x=0.06时,陶瓷具有单一的四方相结构。陶瓷的MPB成分范围在0.03≤x≤0.05。随着LS含量的增加,陶瓷材料的d33和kp均先增加后减小,当x=0.05时,均达到最大值,分别为230 pC/N和0.42;陶瓷的To-t和Tc均向低温方向移动;当x=0时,陶瓷的To-t和Tc分别为455和215℃;当x=0.02时,陶瓷的To-t和Tc分别为385和150℃;当x=0.06时,To-t和Tc分别降至370℃和75℃。

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-La_2O_3无铅压电陶瓷性能的研究

采用传统固相反应法制备了K0.5Na0.5NbO3-xmol%La2O3(简称KNN-xLa)系列无铅压电陶瓷,研究了不同La2O3含量(x=0.0,0.05,0.15,0.25,0.35,0.5,1.0)样品的物相组成、显微结构、压电及介电性能。实验结果表明:La2O3的加入并没有改变陶瓷的相结构,体系仍为单一正交相钙钛矿结构。随着掺杂量x的增大样品的压电系数(d33)、机械品质因子(Qm)、平面机电耦合系数(kp)和样品密度(ρ)都呈现先增大后减少的变化趋势,而介质损耗(tanδ)呈现先变小后增大的变化趋势,烧成温度则随着x的增大而升高。当x=0.15时,材料的综合性能达到最佳,其中ρ=4.52g/cm3,d33=120pC/N,Qm=130,kp=0.41,tanδ=0.021。此外,随着x的增大,居里温度Tc则呈现出先升高后降低的趋势,而正交相向四方相的转变温度To-t与Tc变化相反,且当x=0.15时,To-t=189℃,Tc=404℃。

(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3无铅压电陶瓷的制备及性能研究

目的制备(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)无铅压电陶瓷并研究其结构和性能。方法采用传统固相法,用XRD,SEM等手段对KNN无铅压电陶瓷材料的相结构和显微形貌进行了表征。结果KNN压电陶瓷材料为单一的正交晶系的钙钛矿结构。对KNN无铅压电陶瓷的电性能测试表明,KNN陶瓷具有高的压电常数d33=127 pC/N,高的机电耦合系数Kp=0.41,高的温度Tc=428℃和低的介电损耗tanδ=0.028(10 kHz)的优点;KNN陶瓷存在着饱满的电滞回线,其剩余极化率Pr为18.8μC/cm2,其矫顽场Ec为9.65 kV/cm;所得的陶瓷的密度和电性能要远优于用同样制备方法和烧结方式所得的陶瓷的性能,并且也优于用等静压工艺所得的陶瓷的性能。结论KNN陶瓷是高频压电器件较理想的备选材料之一。

Nd_2O_3掺杂K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3无铅压电陶瓷压电性能的研究

采用传统固相反应法制备了K0.5Na0.5NbO3-xNd2O3(简称KNN-xNd)系列无铅压电陶瓷,研究了不同Nd2O3含量(x=0,0.05,0.15,0.25,0.35,0.50,0.60,1.00)样品的物相组成、显微结构及压电性能。结果表明:A位的Nd3+少量加入并没有改变所制陶瓷的相结构,仍为单一斜方相钙钛矿。随着掺杂量x的增大样品的压电系数(d33)、平面机电耦合系数(kp)和样品密度(ρ)均先增大后减少,介质损耗(tanδ)先变小后增大,而相对介电常数一直变大。当x=0.50时,材料的综合性能达到最佳:ρ=4.42 g/cm3,d33=121 pC/N,εr=742,kp=0.43,tanδ=0.021。

乙二醇溶剂热法制备K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3陶瓷粉体

采用乙二醇溶剂热法制备K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3陶瓷粉体,系统研究了V(EG)/V(H_2O)、反应温度、前驱液浓度对粉体物相、形貌及颗粒尺寸的影响。结果表明,反应温度230℃,反应时间7h,V(EG)/V(H2O)≤3∶2可获得纯相的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3粉体;温度升高粉体的结晶性变差;当溶液浓度为6mol/L时,粉体出现球形和正方体两种形貌,反应物浓度增大粉体均出现正方体形貌且颗粒尺寸减小,当浓度为10mol/L、V(EG)/V(H2O)=1∶4时,粉体颗粒尺寸最小。

多型相变对K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3基压电陶瓷的结构与性能的影响

KNN基无铅压电陶瓷的研究是目前铁电压电材料领域的研究热点之一。这里结合近期国内外有关KNN基陶瓷的研究现状,重点介绍了多型相变的机理及通过离子掺杂取代产生的多型相变对KNN基陶瓷的相结构和性能的影响。

溶胶-凝胶法制备0.94(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3-0.06LiNbO_3陶瓷粉体

以五氧化二铌和钾、钠及锂的碳酸盐为原料,以柠檬酸为螯合剂、乙二醇甲醚为添加剂,采用溶胶-凝胶法制备了0.94(K0.5Na0.5)NbO3-0.06LiNbO3无铅压电陶瓷粉体.研究了各种工艺条件对前驱体溶液和凝胶形成的影响,利用TG-DTA、XRD及SEM等技术研究了凝胶焙烧温度、焙烧粉体的粒度及晶形状况.研究结果表明:柠檬酸与金属离子的物质的量比[n(CA)/n(Mn+)]及pH值是影响前驱体溶液和凝胶形成的主要因素.用溶胶-凝胶法合成KNLN6粉体,具有合成温度低,合成的粉体晶粒细小,分散均匀等优点.

Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3无铅陶瓷介电性能研究

采用固相反应法制备了(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Na0.5NbO3体系陶瓷,研究了KNN含量对Na0.5Bi0.5TiO3-xK0.5Na0.5NbO3陶瓷的晶体结构、显微结构和介电性能的影响。XRD分析结果表明,KNN进入NBT形成固溶体,该体系陶瓷均为钙钛矿结构。扫描电镜分析显示KNN的引入有利于细化晶粒,提高陶瓷致密度。测试了样品在不同频率(1 kHz,10 kHz,100 kHz,1 MHz)下的的介电温谱(室温~500℃),结果表明随着KNN含量的增加,介电峰逐渐变宽,弛豫性逐渐增强,铁电-反铁电相变温度Td和反铁电-顺电相变Tm都明显降低,当x≥0.25时,Td降至室温或更低;室温(1 kHz)下,KNN和NBT相对介电常数分别为675和575,而KNN和NBT形成的固溶体介电常数明显增大,当x=0.25时,达到最大值εr=1653。在NBT中掺入KNN得到了介电峰明显宽化、在较宽温度范围内具有低电容温度系数的致密弛豫铁电体。

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3纳米材料的表征及其水热生长习性研究

采用水热法在一定条件下合成K0.5Na0.5NbO3(KNN)纳米材料.利用XRF、XRD、SEM、Raman散射光谱和紫外/可见吸收光谱分别对材料的组分、物相、形貌、声子振动模式和光吸收等性质进行了表征.结果显示所合成的KNN材料为正交相钙钛矿结构,能隙约2.93 eV,其室温拉曼光谱与块体相比存在一定蓝移.此外,反应时间对产物形貌影响较大,阶梯状复杂形貌可能是一种聚集生长机制.

表面活性剂辅助溶剂热制备K0.5Na0.5NbO3基陶瓷粉体

采用表面活性剂辅助溶剂热合成K0.5Na0.5NbO3基陶瓷粉体,系统研究了助表面活性剂、表面活性剂以及助表面活性剂辅助表面活性剂对合成粉体结构和形貌的影响。结果表明,添加不同含量异丙醇(IPA)可得到不同结构和形貌的K0.5Na0.5NbO3粉体;表面活性剂使得粉体形貌规则,异丙醇含量一定,随着表面活性剂(SBDS、PEG400)浓度的增加,粉体颗粒形貌变得规则且异丙醇具有细化粉体的作用,相比于SBDS、PEG400使得粉体形貌更加规则;表面活性剂(PEG400)浓度一定,需选择合适的异丙醇含量可获得粒径更小的规则形貌粉体,即PEG400=1 g/L,V(IPA)/V(H2O)=2/3和3/2可得到粒径约300 nm的正方体颗粒。