鈮酸鉀鈉基材料壓電和介電調(diào)諧性能研究.pdf

1、具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，利用壓電效應(yīng)可以用于制作壓力傳感器、壓力加速度傳感器、壓電揚(yáng)聲器、超聲馬達(dá)和微位移控制器等器件，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，同時(shí)一般情況下壓電材料還具有鐵電、熱釋電、介電調(diào)諧和電光等性能，已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的功能材料之一。在過去的幾十年間，鉛基壓電材料由于其優(yōu)異的壓電性能以及良好的溫度穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中一直占據(jù)著統(tǒng)治地位。然而，鉛基壓電材料雖然具有優(yōu)異的壓電鐵電性能，但其含有的大量鉛元素具有劇毒性，會對

2、人體和環(huán)境造成很大的危害。為減小含鉛材料對于人體和環(huán)境的危害，世界各國相繼出臺各種措施以限制含鉛材料的使用。因此，尋找性能優(yōu)良、環(huán)境友好的無鉛壓電材料來代替現(xiàn)階段的鉛基壓電材料就顯得十分必要，也成為材料科學(xué)領(lǐng)域的主要課題之一。目前，KNN基無鉛壓電材料由于其優(yōu)異的壓電、鐵電和介電性能，其較高的居里溫度（420℃）又使得其在高溫領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，被認(rèn)為是最有可能取代鉛基壓電材料的無鉛壓電材料之一。限制KNN基壓電材料應(yīng)用的主要因素有致密

3、度有待優(yōu)化，壓電性能與鉛基材料相比有待提高，以及高壓電性能的KNN基材料溫度穩(wěn)定性差的問題，因此探究KNN基材料的助燒，壓電性能提高以及溫度穩(wěn)定性改善的途徑以及物理機(jī)制對促進(jìn)KNN基壓電材料的應(yīng)用具有重要的實(shí)際和科研意義；此外，對KNN基材料介電調(diào)諧性能和機(jī)制的研究可以拓展KNN基材料的應(yīng)用領(lǐng)域范圍。
　　首先分析 A位元素?fù)]發(fā)導(dǎo)致的缺陷及相應(yīng)內(nèi)電場機(jī)制，以及它們對KNN基陶瓷樣品疇壁的釘扎效應(yīng)和對壓電性能的削弱作用，進(jìn)而提出可以

4、通過補(bǔ)償KNN中A位元素?fù)]發(fā)，降低陶瓷中的缺陷濃度和內(nèi)電場對疇壁的釘扎效應(yīng)，提高KNN基陶瓷的壓電和鐵電性能。用固相燒結(jié)法制備了KNTN-NaF陶瓷樣品，使用XRD表征了其結(jié)構(gòu)，SEM表征了其微觀形貌，分析了NaF濃度對陶瓷燒結(jié)溫度、致密度和晶粒大小的影響，最后研究了KNTN- NaF陶瓷的壓電、鐵電和介電性能。分析了NaF對A位揮發(fā)元素的補(bǔ)償作用以及對內(nèi)電場的削弱作用，并用X射線熒光光譜測試了不同NaF濃度的KNTN陶瓷樣品中的A、B

5、位元素含量比，驗(yàn)證NaF中的Na元素對原KNTN陶瓷中A位元素的補(bǔ)償效果。
　　分析了不同變價(jià)離子摻雜在KNN晶格中施主和受主摻雜機(jī)制，并分析不同摻雜對 KNN基陶瓷壓電、鐵電和介電性能的影響，進(jìn)而研究Yb3+在KNN陶瓷中摻雜機(jī)制及其對壓電性能的影響。用固相燒結(jié)法制備Yb摻雜KNN陶瓷樣品，用XRD表征了Yb摻雜KNN陶瓷的結(jié)構(gòu)，并分析了Yb在KNN晶格的占位機(jī)制；SEM表征了其微觀結(jié)構(gòu)，分析了Yb摻雜對KNN陶瓷晶粒和致密度的

6、影響；最后研究了Yb摻雜KNN陶瓷的壓電、鐵電和介電性能，分析了不同的Yb占位對壓電和鐵電性能的影響。
　　分析室溫相變KNN基材料的溫度依賴性，首次提出具有四方結(jié)構(gòu)的KNN基材料可以同時(shí)具備高的壓電性能和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)了具有四方結(jié)構(gòu)的(K0.45Na0.55)0.94Li0.06TaxNb1-xO3陶瓷材料,用固相燒結(jié)法制備了(K0.45Na0.55)0.94Li0.06TaxNb1-xO3陶瓷樣品，用XRD和SEM表征

7、了其結(jié)構(gòu)和微觀形貌，用介溫譜測試了陶瓷正交相和四方相的介電常數(shù)，研究了其壓電性能和20-80℃溫度范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性。為進(jìn)一步消除相變對陶瓷溫度穩(wěn)定性的影響，利用La元素?fù)诫s進(jìn)一步改善了陶瓷的溫度穩(wěn)定性。
　　分析了介電體內(nèi)部的介電極化機(jī)制和不同極化對外加電場的響應(yīng)，提出在居里溫度附近由于納米疇的存在，材料具有優(yōu)異的介電調(diào)諧性能。設(shè)計(jì)了的KTa0.6Nb0.4O3單晶，利用介溫譜表征了材料的居里溫度，研究了KTN單晶居里溫度附近的