毕业论文答辩 无铅压电陶瓷的制备、微结构和电学性能研究

本科生毕业论文（设计）,学 院 材料学院 专 业 材料物理 学生姓名 吴 文 娟 指导教师 肖定全教授,(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3-xLiSbO3无铅压电陶瓷的制备、微结构和电学性能研究,目录,摘要第一章 绪论研究背景和意义无铅压电陶瓷研究现状及发展碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷本论文选题及主要依据 第二章 实验过程及测试实验准备工艺过程性能测试原理 第三章 结果与讨论 KNNT-LS的性能 第四章 结论,摘要,压电陶瓷由于其特殊的机电性能已被广泛应用各种领域。但铅基压电陶瓷的毒性很高，给人类和生态环境造成损害。 因此，开发无铅压电陶瓷是今后研究的重要课题。 目前，作为无铅材料的碱金属铌酸盐备受关注。,第一章 绪论,研究背景和意义,1945年 钙钛矿结构的BaTiO3陶瓷的压电效应,1954年锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷,60年代PZT基系列陶瓷的进一步研究，及铌酸盐和钛酸盐为主的无铅压电陶瓷材料研究的初步开展,80年代PZT基系列材料深化研究和应用，无铅压电陶瓷材料的关注,应用压电陶瓷,压电陶瓷发展进程,电声信号，光信号处理（频率器件）；发射与接收超声波；计测和控制；信号发生器（电信号和声信号）；高压电源发生器,无铅压电陶瓷研究现状及发展,无铅压电陶瓷从成分上划分，可分为以下几类：,碱金属铌酸盐作为一种无铅压电材料目前备受压电材料研究领域关注，而对碱金属铌酸盐的研究主要集中在（K1-xNax）NbO3陶瓷性能的研究上。,反铁电体 NaNbO3,铁电体 KNbO3,碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷,形成,固溶体（K1-xNax）NbO3,钙钛矿结构,该系陶瓷居里温度较高(160)，压电性能良好(d33可超过 100pC/N)。特别是 Na/Kl 时，即K0.5Na0.5Nb03，其机电耦合系数达到峰值，压电性能良好。,铌酸钠钾基无铅压电陶瓷性能的研究,1.制备工艺,生产成本较高，材料尺寸大小受到限制。,致密的KNN陶瓷温度稳定性改善材料稳定性程度不好,2.添加第二组元,传统烧结,致密性差,等静压 热压,表1.4 KNN基二元系无铅压电陶瓷在准同型相界的压电、介电和铁电性能,3.添加烧结助剂 在铌酸钾钠陶瓷体系中加入适量的助剂，采用传统工艺可以得到性能和稳定性良好的陶瓷。 如：0.001%0.05%的CuO、稀土金属锰酸盐LMnO3（L为Y、Er、Ho、Yb等稀土元素）或少量MnO2、CrO2、CoO等氧化物,4.离子取代（NKN体系结构）,A位(Na+,K+ ),取代,Li+,促进了陶瓷的液相烧结,B 位(Nb5+),取代,Sb5+ Ta5+,降低了介电损耗，使介电常数温度性能得到改善,有八面体基本结构单元,但空间群不同,钙钛矿型结构空间群为Amm2(C2v14),钛铁矿结构空间群为R3c(C3v6),Na0.5K0.5NbO3（KNN）,LiSbO3 （LS）,Li+和Sb5+的替位作用使致密度和压电活性提高,合成了(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3xLiSbO3系无铅压电陶瓷，并且研究了LS含量对 (1-x)KNNT-xLS材料晶体结构、微观形貌、介电、压电和铁电性能的影响。,本论文选题及主要依据,第二章 实验过程及测试,实验准备 实验配方及样品编号(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3xLiSbO3 (x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07)原料及设备 注意：碱金属氧化物在空气中不能长期稳定存在，如以固相法制备KNN基压电陶瓷，除Nb的前驱体可以选其氧化物（Nb2O5）外，Na、K前驱体就不能选其氧化物，而必须选择其他形式的化合物，如Na、K的碳酸盐或者有机盐。,工艺过程,配料,混合和球磨,预烧,粉碎,造粒成型,排胶烧结,上电极,极化,图2.1 传统陶瓷制备工艺流程,烧结条件,以合成(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3xLiSbO3陶瓷为例说明制备工艺条件,预烧条件,排胶条件,KNNT-LS各组分陶瓷的烧结温度及时间,性能测试原理 1. X射线物相分析（XRD）2. 扫描电镜（SEM）显微结构分析 3. 压电常数 4. 机电耦合系数kp和机械品质因素Qm5. 介电性能 6. 铁电性能,(1-x)KNNT-xLS的性能,(1-x)KNNT-xLS陶瓷的显微组织结构,KNNT和LS形成了很好的固溶体，没有杂相出现,第三章 结果与讨论,出现了四方相,正交相,四方相,准同相界MPB,0.96KNNT-0.04LS陶瓷的SEM照片（11053h烧结 ）,致密度好，晶粒尺寸为5m左右,max =4.37 g/cm3),LS有效地提高了陶瓷的密度,(1-x)KNNT-xLS陶瓷的压电性能,d33ma=240pc /N,Kpmax=0.43,0.96KNNT-0.04LS陶瓷压电性能相比较好,MPB在提高(1-x)KNNT-xLS陶瓷压电和机电性能方面有重要作用,(1-x)KNNT-xLS陶瓷的介电性能,立方四方相变,四方正交相变,10 kHz: (a) x = 0; (b) x = 0.04; (c) x=0.07.,由于Li+, Ta5+ 和Sb5+复合取代A、B位离子,(1-x)KNNT-xLS陶瓷的铁电性能,x=0.04时Pr 28C2 Ec11.5 kv,第四章 结论,通过对KNNT陶瓷的样品的 A 、B 位进行复合，应用传统的固相反应法制得了(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb0.95Ta0.05)O3xLiSbO3无铅压电陶瓷。 XRD分析表明，该体系陶瓷形成了好的固溶体，并且没有杂相生成；陶瓷致密度较好；具有较高的压电常数和kp; 居里温度较高；该体系Pr较大，Ec都较小。 (1-x)KNNT-xLS系陶瓷的MPB在0.03x0.05之间。0.96KNNT-0.04LS陶瓷的综合性能较好：d33=240pc/N，kp=0.43，Qm=59，Tc=348，Pr28C2， Ec11.5 kv。 本实验研究中Li+和Sb5+的取代，促进了陶瓷的液相烧结，使晶粒细化； Sb5+, Ta5+对Nb5+的取代，改善其电学性能。 该系陶瓷具有低的矫顽场强，易于极化，压电性能得到较好发挥。,参考文献,1肖定全，王天民.晶体物理学M.四川：四川大学出版社，19892肖定全. 压电、热释电与铁电材料A.干福熹主编.信息材料（第十章）C.天津：天津大学出版社，20003许煜寰.铁电与压电材料M.北京：科学出版社，19784田中哲郎等编，陈俊彦，王余君.压电陶瓷材料M.北京：科学出版社，19825刘光聪.压电陶瓷材料的新走势.世界产品与技术，2001，6：41-436赁敦敏，肖定全，朱建国，余 萍，鄢洪建.无铅压电陶瓷研究开发进展.压电与声光，2003，25（2）：127-1327赁敦敏，肖定全，朱建国等.从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展无铅压电陶瓷20年发明专利分析之一.功能材料，2003，34（3）：250-2538赁敦敏，肖定全，朱建国等.BNT基无铅压电陶瓷的研究与进展无铅压电陶瓷20年发明专利分析之二.功能材料，2003，34（4）：368-3709赁敦敏，肖定全，朱建国等.铋层状结构无铅压电陶瓷的研究与进展无铅压电陶瓷20年发明专利分析之三.功能材料，2003，34（5）：491-49510赁敦敏，肖定全，朱建国等.铌酸盐系无铅压电陶瓷的研究与进展无铅压电陶瓷20年发明专利分析之四.功能材料，2003，34（6）：615-61811赁敦敏，肖定全，朱建国等.LiNbO3基无铅压电陶瓷的研究与进展.功能材料，2004，35（1）：18-2012肖定全.关于无铅压电陶瓷及其应用的几个问题.电子元件与材料，2004，11：62-6513孟希敏，刘心宇，周昌荣.无铅压电陶瓷的研究现状与发展趋势.电工材料，2006，3：40-4414Saito Yasuyoshi, Takao Hisaaki, Tani Toshihiko,etc. Lead-free piezoceramics. Nature,2004,432（11）：84- 87,15Yang Zupei, Chang Yunfei, Liu Bing, Wei Lingling. Effects of composition structure, microstructure and electrical properties of (K0.5Na0.5) NbO3-LiSbO3 ceramics. Mater.Sci.Eng.A 432(2006)292-29816杜红亮，李志敏，周万城等.Na0.5K0.5NbO3系压电陶瓷的制备技术及其对性能的影响.无机材料学报，2006，21：1281129117郑立梅，王矜奉，臧国忠等.(Na，K，Li)(Nb，Sb)O3无铅压电陶瓷的性能.电子元件与材料，2006,7：212518朱建国.电子陶瓷材料M.四川：四川大学出版社，2006，119Zuo Ruzhong, Fang Xusheng, Ye Chun. Phase structures and electrical properties of new lead-free (Na0.5K0.5) NbO3-(Bi0.5Na0.5) TiO3 ceramics. Appl.Phys.Lett.90, 092904(2007)20臧国忠，王矜奉，明保全等。高性能铌酸钾钠无铅压电陶瓷研制.电子元件与材料，2005,11：272921Zang Guozhong, Wang Jinfeng, Chen Hongcun,etc. Perovskite (a0.5K0.5)1-x(LiSb)xNb1-xO3 lead-free plezoceramics. Appl.Phys.Lett.88, 212908(2006)22Yang Zupei，Chang Yunfei，and Wei Lingling. Phase transitional behavior and electrical properties of lead-free (K0.44Na0.52Li0.04) (Nb0.96-xTaxSb0.04) O3 piezoelectric ceramics. Appl.Phys. Lett.90, 042911(2007)23Ming Baoquan, Wang Jinfeng, Qi Peng, Zang Guo-Zhong. Piezoelectric properties of (Li, Sb, Ta) modified (Na,K) NbO3 lead-free ceramics. J.Appl.Phys.101, 054103(2007)24Du Hongliang, Tang Fusheng, Liu Daijun,etc. The microstructure and ferroelectric properties of (K0.5Na0.5) NbO3-LiNbO3 lead-free piezoelectric ceramics. Mater.Sci.Eng.B(2006) 25 Saito Yasuyoshi. Alkali Metal-containing Niobate-Based Piezoelectric Material Composition and a Method for Producing the Same. United States Patent, Patent No.: