童鞋论文网专业提供代写本科论文、代写硕士论文、代写职称论文、代写毕业论文、论文发表等服务,上万成功案例,欢迎咨询。 网站地图  |  加入收藏  |  设为首页
童鞋论文网
热门搜索
行政 教育 营销 法律 经济 护理 心理 会计 文学 工商 计算机 旅游
站内搜索:
童鞋论文网
 当前位置:童鞋论文网 > 毕业论文 > 文章正文
 
国内外KNN无铅压电陶瓷的研究进展
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/4/9 10:18:17  

摘要:1959年,Egerton和Dillon首次对KNN陶瓷的压电性能的报道开启了其研究的开端[25]。KNN陶瓷具有高声学速度,较大的机械品质因数Qm、机电耦合系数Kp和频率常数以及较高的压电性能等优点,因此可用于光电材料、传声介质和高频换能器等[25-27]。由于传统固相烧结法难以制备性能足够优异的KNN压电陶瓷,所以研究人员通过探索新的方法以期得到性能更好的KNN基无铅压电陶瓷,如今,改善KNN压电陶瓷性能的主要方法可以分为两类:掺杂改性和制备工艺改善[26,27]。

关键词:KNN无铅压电陶瓷 研究进展

1KNN压电陶瓷的掺杂改性

1.1 A位和B位的取代改性

近年来,众多研究人员研究了KNN的A位及B位取代改性。KNN的A位的Na+和K+可由Li+、Ag+等离子部分取代,B位的Nb5+可由Ta5+、Sb5+等离子部分取代,从而形成新的KNN基固溶体。而通过Li+掺杂、Li+/Sb5+共掺杂、Li+/Ta5+共掺杂或Li+/Ta5+/Sb5+共掺杂等可以将TO-T降低到室温,从而形成T-O相界,提高KNN的电学性能[28,29]。其中值得注意的是Li掺杂还可以提高KNN压电陶瓷的居里温度,在极限固溶度10%时,居里温度达到最大值500 C,对于高温领域的应用有可观的前景[28,29]。

2004年,Y. Guo等人发现(1-x)KNN-xLiTaO3系陶瓷具有优良的压电性能[30];Gao等人制备出的(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3无铅压电陶瓷,其压电性能媲美Saito等报道的织构化KNN基压电陶瓷(d33=413 pC/N,Kp=0.5)[31];Wang等人通过调整(1-x)(K1-yNay)(Nb1-zSbz)O3-xB0.5(Na1-wKw)0.5ZrO3体系的相组成制备出压电常数d33=390-490 pC/N,居里温度TC=217-304 C的压电陶瓷[32],这一研究发现使KNN基无铅压电陶瓷的大规模使用有望成为现实。

1.2 掺入钙钛矿结构的第二组元

研究发现通过掺入钙钛矿结构的钛酸盐BTiO3(B=Ba、Sr、Ca)作为第二组元能降低TO-T形成O-T相界,而掺入钙钛矿结构的锆酸盐AZrO3(A=Ba、Sr、Ca)作为第二组元则能提高TR-O形成R-O相界,获得致密度较高且电学性能良好的KNN陶瓷体系[21]。2004年,Y. Guo等人研究了K0.5Na0.5NbO3-SrTiO3、K0.5Na0.5NbO3-BaTiO3等固溶体的微结构、电性能及其铁电弛豫特性,研究发现掺入SrTiO3、BaTiO3可以提高KNN基陶瓷的致密度,使其相对密度达到98%左右,介电常数增加,介电损耗减小,而压电性能改善不明显[30,33]。C. W. Ahn等人则报道了在KNN陶瓷中同时掺入5% BaTiO3以及0.9%的MnO2后,其各项电性能都得到了较为明显改善:压电常数d33可达194 pC/N、Kp值可达到31%、εr为800,但其致密度较低,仅达到了理论密度的85%[34]。Y. F. Chang等人研究了低含量(0.5%)的BTiO3(B=Ba、Sr、Ca、Mg)对KNN陶瓷的致密度、电性能的影响,其中MgTiO3和BaTiO3的加入将使陶瓷的致密度和电性能降低,而CaTiO3和SrTiO3的加入则能明显改善陶瓷的致密度和电性能[35]。B. Zhang等人制备出的0.96(K0.5Na0.5)0.95Li0.05Nb1-xSbxO3-0.04BaZrO3陶瓷形成了R-T相界,d33达到了425 pC/N[36]。

1.3 掺入BCZT粉体

(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3(简称BCZT)是一种具有优越压电性能的无铅压电材料,常温下为四方结构[37]。2009年,W. Liu和X. Ren首先开始研究Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3陶瓷,固相反应法制备的陶瓷样品的压电常数d33高达620 pC/N,与PZT-5H相当,引起了各国学者的广泛研究[37]。然而其较低的居里温度却严重阻碍了其在压电器件上的应用。KNN陶瓷具有很高的居里温度,BCZT纳米级粉体的掺入会适当降低KNN的居里温度,但仍能在高温情况下应用,而KNN的电学性能却能得到极大的提高。

2014年,李月明等人研究了采用固相反应法制备的[(1-x)KNLNTS-xBCZT,x=0~0.02]无铅压电陶瓷,发现通过适量掺杂BCZT,不仅可以细化晶粒,增加陶瓷的致密度,还能降低陶瓷的介电损耗[38]。另外,随着BCZT的不断增加,KNLNTS-BCZT陶瓷会逐渐从正交相(O)向四方相(T)转变,在x=0.008~0.01时正交、四方(O-T)两相共存,在x=0.01时呈现出最佳的压电性能:其d33可以达到345 pC/N[38]。由此看来,在KNN基无铅压电陶瓷中掺杂纳米级BCZT形成KNN-xBCZT钙钛矿结构的固溶体具有很大的研究意义。

2 KNN压电陶瓷的制备工艺

2.1 单晶

一般认为,压电单晶因为不受晶粒度、晶界、晶体各向异性及孔隙度的影响,所以KNN单晶性能会优于同组分的压电陶瓷。Chen等人报道了利用下降法制备(001)方向的Li0.05(Na0.5K0.5)0.95NbO3晶体,其压电性能远优于同组分的KNN基无铅陶瓷,压电常数d33=405 pC/N[39];Kakimoto等人报道了利用助熔剂法和浮区法制备(110)面的K0.5Na0.5NbO3以及Mn掺杂KNN单晶[40];Li等人报道了通过熔体缓慢冷却法制备(001)面的纯KNN单晶,也一定程度上改善了KNN陶瓷的压电性能,压电常数d33可以达到130 pC/N[41]。但是这些单晶制备技术存在晶体生长缓慢、设备复杂、生产成本高等问题,从而限制了它们的应用。

2.2 热压烧结

R. E. Jaeger等人采用热压烧结法制备出了完全致密的KNN压电陶瓷,居里温度TC=420 C,d33=160 pC/N,Kp=45%[42]。热压烧结法是指将以一定化学计量比配制成的KNN粉体置于热压炉模具中,在烧结过程中通过外力施加压力,从而解决常规烧结时产生残余孔隙的问题,得到更为致密的陶瓷[42,43]。同时,晶粒生长减少可以得到细晶粒的陶瓷材料[42,43]。但是,采用热压烧结法不易制成形状复杂的样品,烧结生产规模小,成本大,并且烧结过程中容易引入杂质,形成缺陷[43]。

2.3 放电等离子烧结(SPS)

放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)是一种新型的烧结技术[44]。R. Lopez-Juarez等人采用等离子烧结法制备出了(K0.48Na0.52)0.96Li0.04Nb0.85Ta0.15O3陶瓷,发现采用SPS法的烧结温度大约比常规烧结低200 C,并且烧结时间更短,可以在一定程度上减少K、Na的挥发,抑制晶粒的生长,从而得到致密度更高,压电性能更加优异的无铅压电陶瓷[45]。但此制备方法与热压烧结一样,存在成本高,对设备要求高及难以大规模生产的问题。

2.4 RTGG和TGG工艺

2004年,Y. Saito等人并采用反应模板生长(reactive-templated grain growth,RTGG)法制备出了织构结构的(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3[20]。RTGG法是以产物的某种前驱体为模板,并将其与其它原料按产物的化学计量比相混合,经预烧和烧结而得到织构化的陶瓷[46],以此法制成的KNN陶瓷表现出媲美PZT系陶瓷的优异性能,被认为具有广阔的应用前景。此后,李月明、谢俊等人通过熔盐法制备片状粉体K4Nb6O17,通过质子取代法制备片状Nb2O5粉体,以其为模板并采用模板晶粒生长(TGG)技术制备出高织构度的KNN织构化无铅压电陶瓷,d33达到141 pC/N,Kp值达到39.7%[47]。但是,RTGG法对烧结设备要求较高;TGG法需要先采用熔盐法制前驱体并通过质子取代法制片状Nb2O5粉体,制备过程较为复杂,都不适合大规模生产KNN基无铅压电陶瓷。

2.5 两步烧结

常规的烧结方法是以一定的速率加热陶瓷样品,然后为了获得足够高的密度将其在足够高的温度下保持一段时间[48-50]。这样烧出来的陶瓷样品会因为密度不高、微观结构不够均匀且晶粒较大而严重影响其电学性能[48-50]。2000年,I.-Wei Chen等人提出了一种两步烧结的方法来解决这一问题[51]。该方法通过先将陶瓷样品加热到较高的温度以获得致密度超过75%的均匀结构,然后在晶粒的生长较小时将烧结温度降低到一个固定的温度,通过长时间的保温来提高其密度[52]。通过这种两步烧结的方法可以抑制晶粒生长并能达到足够高的密度,从而提高陶瓷的电学性能[51,52]。另外,该方法还拓宽了陶瓷的烧结温度,相比于以上几种方法很容易实现,因此在制备烧结范围较窄的无铅和有铅陶瓷时引起了广泛关注。

Y. Li等人通过两步烧结法制备的0.95(Na0.52K0.44Li0.04)(Nb0.88Sb0.08Ta0.04)O3 -0.05KNbO3陶瓷的相对密度达到了96.5%,且具有更好的压电性能[53]。M. R. Bafandeh等人通过常规的固相法和两步烧结法烧结同样组成的KNN陶瓷,发现常规的固相法烧结的陶瓷样品的晶粒生长速率是两步烧结法烧结的陶瓷样品的2.6倍左右,两步烧结法烧结的陶瓷样品比常规的固相法烧结的陶瓷样品具有更高的介电和压电性能[54]。

参考文献

[1] 钟维烈.铁电物理学[M].北京:科学出版社,1996:7-15.

[2] G. H. Haertling. Ferroelectric ceramics: history and technology [J]. J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82(4): 797-818.

[3] 殷江,袁国亮,刘治国.铁电材料的研究进展[J].中国材料研究进展,2012,31(3):26-43.

[4] T. L. Jordan, Z. Ounaies. Piezoelectric ceramics characterization [J]. ICASE Report, 2001, No. 2001-28: 1-22.

[5] 沈宗洋,李月明,王竹梅,等.三大无铅压电陶瓷体系的最新研究进展[J].人工晶体学报,2012,41(S):309-315.

[6] 肖定全.钙钛矿型无铅压电陶瓷研究进展及今后发展思考[J].人工晶体学报,2012,41(S):58-67.

[7] I. Coondoo, N. Panwar, A. Kholkin. Lead-free piezoelectrics: current status and perspectives [J]. J. Adv. Dielect., 2013, 3(02): 1330002.

[8] T. Takenaka, H. Nagata. Current status and prospects of lead-free piezoelectric ceramics [J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2005, 25(12): 2693-2700.

[9] J. Rödel, W. Jo, K. T. P. Seifert, et al. Perspective on the development of lead-free piezoceramics [J]. J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92(6): 1153-1177.

[10] T. R. Shrout, S. J. Zhang. Lead-free piezoelectric ceramics: alternatives for PZT [J]. J. Electroceram., 2007, 19(1): 113-126.

[11] 陈亚波,张洋洋,姜胜林,等.铈掺杂对PZT压电陶瓷性能的影响[J].功能材料,2008,39(3):379-384.

[12] M. M. S. Pojucan, M. C. C. Santos, F. R. Pereira, et al. Piezoelectric properties of pure and (Nb5++Fe3+) doped PZT ceramics [J]. Ceram. Int., 2010, 36: 1851-1855.

[13] 吴浪,滕元成,李玉香,等.钛酸钡基无铅压电陶瓷研究的新进展[J].材料导报,2010,24(10A):34-38.

上一篇:班昭《女诫》中的女性观及其与汉代妇女现实女性观的差距研究     下一篇:植入体表面改性技术概况论述
 
论文客服 95702844
论文热线18796337551
本站网址 www.txlunwenw.com
郑重承诺 原创,包修改,包通过!
童鞋论文网真诚欢迎新老客户的光临与惠顾!
 
 热门文章
· 住宅建设用地使用权续期研究
· 用户锁定效应视角下的网易云音
· 众筹产品创新性对融资绩效的影
· 摩拜共享单车可持续盈利研究
· 社交媒体中不实信息转发主体心
· 基于网络平台的SPA模式研究——
· 基于游客感知的云台山景区微信
· 新媒体时代背景下乡村旅游企业
· 上市公司内部控制信息披露探讨
· 中美贸易战下我国的战略转型研
 
 推荐文章
· 游泳救生训练虚拟仿真系统设计
· 论基因编辑婴儿所带来的问题以
· 网络民意对司法的影响研究——
· 三六零借壳江南嘉捷公司上市后
· Z值财务预警模型构建及在跨国并
· 论镜面反馈练习法在武汉体育学
· 基于陌生化理论的电影《无名之
· 民族地区“空心村”现状、成因
· 基于准公共产品视角的共享单车
· 北京首钢盈利能力研究
 
 相关文章
· 雪菊化学成分及药理作用研究进
· 土壤重(类)金属消解方法的研
· 基于碳交易的供应链运作研究进
· 无籽刺梨研究进展
· 食品中抗生素耐药基因的研究进
· 植物病原真菌效应蛋白的研究进
· 温度变化对重金属植物有效性影
· 农田土壤固碳潜力的影响因素研
· 新鲜蔬菜中农药残留降解技术应
· 机械通气患者呼吸机相关性肺炎

论文原创,准时交稿,包修改,包通过,八年信誉,品质保证
童鞋论文网提供代写本科论文,代写专科论文,代写毕业论文,代写职称论文,代写硕士论文,论文发表及查重服务
备案号:苏ICP备11011187号-1 苏公网安备32030502000117号
版权归童鞋论文网所有 禁止一切商用盗用