环境友好型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷由于其高居里温度、 良好的电学性能备受关注,然而与传统的 PZT 陶瓷相比,KNN 基陶瓷烧结区间较窄、 碱金属元素易挥发、 电学性能较 PZT 仍有较大差距。 因此,前人对该陶瓷体系的粉体制备工艺、添加烧结助剂、 组分掺杂、 优化极化手段等进行了大量研究,以改善陶瓷的综合性能。 CuO 是一种高效助熔剂,能有效降低烧结温度,抑制碱金属元素挥发,同时进入钙钛矿晶格,形成新固溶体。 本实验围绕 KNN-Cu 体系展开,研究 Li、 Sb、Ta 元素掺杂对陶瓷结构与性能的影响。 实验过程中采用液相包覆法制备粉料先驱体,在空气氛围中常压烧结 KNN-Li-Cu、 KNN-Sb-Cu、KNN-LTS-Cu 系列压电陶瓷,研究其晶相结构、 微观形貌、 介电性能、 铁电性能、 压电性能,并分析了其内部结构与性能之间的作用机理。 同时研究了极化温度对 KNN-Sb-Cu 电学性能的影响。 并通过高温极化,探索 KNN-LTS-Cu 陶瓷的缺陷偶极子偏转、 定向特征及其对性能的影响。 (K0.48Na0.52)1-xLixNbO3-0.015CuO 体系研究发现,Li 能与 K0.48Na0.52NbO3形成主晶相钙钛矿结构固溶体。 当 Li 掺杂量升高至 3 mol%时,出现了钨青铜结构次晶相K3Li2Nb5O15。 适量 Li 可升高居里温度 TC,降低斜方-四方相变温度 TO-T。 当 Li 掺杂量增大至 5 mol%时,陶瓷在室温下处于斜方-四方两相共存状态,但陶瓷的漏电流较大,压电性能、 铁电性能恶化。 KNN-Li-Cu 陶瓷的电滞回线沿外电场方向偏转,在缺陷偶极子的作用下,表现出内偏电场 Ei,且内偏电场 Ei随 Li 掺杂量增加而增大。 K0.48Na0.52Nb1-x-ySbxCuyO3 体系研究发现,K0.48Na0.52Nb1-x-ySbxCuyO 陶瓷均形成钙钛矿结构固溶体,无次晶相产生。 当 Sb 含量为 1 mol%时,Cu2+占据 B 位,随着 Sb 含量增大至 3 mol%以上时,Cu2+既占据 B 位亦占据 A 位。 掺杂适量 Sb,可降低居里温度 TC以及斜方-四方多型相变温度 TO-T。 由于 Sb5+半径、 极化率、 电负性的共同作用,陶瓷铁电性、 介电性、 压电性均增强。 掺杂Cu,陶瓷致密度增加,压电常数 d33增加,陶瓷损耗降低,由于离子分布不均,伴随产生介电弛豫现象。随着极化温度逐渐升高( 80 ℃、 120 ℃、 160 ℃、 200 ℃),电滞回线沿极化电场方向偏移,平均矫顽场 EC 降低,内偏电场 Ei 增大。 两相共存温度( 160℃) 附近极化时,陶瓷的综合电学性能优异。 该温度为最佳极化温度。 (K0.48Na0.52)0.96Li0.04Nb0.805Ta0.075Sb0.12O3-xCuO 体系研究发现,Cu 含量较低时,Cu2+占据钙钛矿结构 A 位,为施主掺杂;随着 Cu 掺杂量升高至 1.5 mol%时,Cu2+开始占据 B 位,为受主掺杂,此时结构中产生氧空位,以平衡电荷。 受主与氧空位形成缺陷偶极子,使 KNN-LTS-Cu 陶瓷的电滞回线出现不对称特征,产生内偏电场Ei。 随着极化温度升高,陶瓷的内偏电场 Ei 逐渐增大。 120 ℃极化过程中,仅部分缺陷偶极子沿外电场偏转,压电性能欠佳。 在居里温度 TC 附近极化时,缺陷偶极子沿外电场方向偏转、 定向,对电畴的退极化产生阻滞力,使电畴的极化稳定性增高,因而陶瓷的压电常数 d33较高,热稳定性较 120 ℃极化后明显改善。