碱金属铌钽锑酸盐无铅压电陶瓷的制备和性能表征摘要S b 、T a 、L i 改性铌酸钾钠体系是当今无铅压电陶瓷领域的研究热点。S b的电负性比N b 的强，可以增强铌酸钾钠体系的共价性，提高其压电性能。因此，本课题把S b 含量固定在较高值( 6 m 0 1 ) ，考虑到烧结过程中N a 比K 更容易挥发，因此使N a 比K 稍微过量，在组分( N a o 5 2 K 0 4 8 ) ( N b o 9 6 S b o 0 4 ) 0 3 的基础上， 加入等摩尔量的L i 和T a 来形成准同型相晃，以期获得优良性能。然后优化烧结工艺，并研究C u O 掺杂对基体材料性能的影响。本实验研究范围内，L i + ，T a 5 + 、S b 5 十与铌酸钾钠完全均一固溶。钽酸锂的加入改善体系的烧结性能，而粒度分布不均匀：增加钽酸锂含量，材料的室温相结构由正交相向四方相转变，在0 0 3 5 T c 时，P s = O 。 当铁电体温度高于居里温度时，铁电体的介电常数E 随温度T 变化关系符合居里- 夕 、斯( C u r i e W e i s s ) 定律【2 】：= C ( T - T o )( 1 1 )式中，T o 为居里- 夕 、斯特征温度，C 为居里常数。1 2 2弥散铁电体与弛豫铁电体正常的铁电体具有尖锐的介电峰，而具有弥散相变的铁电体是一种各种阳离子占据晶格等同位置的固溶体，因而产生介电峰的宽化和相变的弥散。弛豫铁电体除了弥散相变之外，还具有频率色散及不符合居里一外斯定律的特点。弛豫铁电体首先是由S m o l e n s k i i 等在复杂钙钛矿固溶体中发现的。其后，在别的铁电体材料中也发现有相似的行为。与常规铁电材料相比，弛豫铁电材料有明显不同的特征，主要体现如下：( 1 ) 弥散相变：铁电相变时，在介电温度曲线上具有宽化的居里峰是弥散型相变的主要表现，这时铁电顺电一相变并非像普通铁电体那样突变，而是呈现出在一个范围内逐步变化的趋势，即有一个“居里温区”。此时，相变温度T 。变为平均居里温度T ，电容率温度特性不显示尖锐的峰，而呈现出相当宽的平缓的峰。( 2 ) 频率色散：在弥散区域内，材料强烈地损耗能量，因而在介质损耗角正切的频率和温度关系曲线中均出现峰值。频率色散是指在低温一侧，介电峰和损耗峰随测试频率的提高而略向高温方向移动，而介电峰和损耗峰值分别略有降低和增加。( 3 ) 不符合居里外斯定律：在远高于T7 的情况下，弛豫铁电陶瓷与普通陶瓷一样，其介电常数与温度的关系服从居里一外斯定律，但是随着温度的降低逐渐偏离居里一外斯定律。一T 关系服从下式1 5J ：l e = l s m + C ( T - T m ) a( 1 - 2 )式中：为介电常数，m 为的最大值，T m 为电容率实部m 峰值的温度，l 5 0 0o C ) 、机械品质因数Q m 高( 2 0 0 0 7 2 0 0 ) 、电阻率高、老化率低、易烧结、介电损耗低、压电性能高、谐振频率的时间和温度稳定性好等特点，适合制作滤波器、高温高频及能量转换领域内使用的器件，应用前景广泛【1 0 】。该类材料的主要研究体系有以下几种【1 1 - 1 4 ：( 1 ) B i 4 T i 3 0 1 2 基压电陶瓷；( 2 )M B i 2 N 2 0 9 基压电陶瓷( M = S r 、C a 、N a o 5 B i o 5 、K o 5 B i o 5 ；N = N b 、T a ) ；( 3 )B i 3 T i M70 9 基压电陶瓷( M7 = T a 、N b ) ；( 4 )( 1 - x ) B a B i T i 4 0 1 5 一x B a 4 T i l 3 0 3 0 ；( 5 )复合铋层状结构无铅压电陶瓷。1 3 2钨青铜结构无铅压电陶瓷此类晶体结构因类似四角钨青铜K x W 0 3 和N a x W 0 3 而得名，这一结构基本特征是存在 B 0 6 】式氧八面体，其中B 为N b 5 + 、T a 5 + 离子，有非填满型( 如P b N b 2 0 6 ) 、填满型如( B a 4 N a 2 N b l 0 0 3 0 ) 和完全填满型如( K 6 “4 N b l 0 0 3 0 ) 三种4类型。钨青铜结构化合物具有自发极化较大、居里温度较高、介电常数较低、光学非线性较大等特点。钨青铜结构化合物多年来，作为电光晶体一直被广泛研究，尤其在近几年对该体系陶瓷进行掺杂或取代的改性研究，取得了较大的进展，如B a 2 A g N b 5 0 1 5 化合物就具有高的居里温度( 4 2 0o C ) 和良好的光学稳定性。在B a 4 - 2 x A 9 2 + x L n x N b l 0 0 3 0 ( O 极化矢量和八个菱方晶相的( 1 1 1 ) 极化矢量，而大量的极化方向可以优化在极化过程中建立的晶粒与晶粒之间的结晶学方向，并反过来导致异常高的压电性能。图l - 8P b T i O ，一P b Z r 0 3 的准同型相界相圄对于铌酸钾钠体系材料也是如此。纯的铌酸钾钠( N a ，K ) N b 0 3 ( N K N ) 陶瓷 在N a K 比接近1 ：1 时会形成两个正交相共存的M P B ，使其具有高的介电、压一u om葛；口EF电性能，但是纯的铌酸钾钠陶瓷材料烧结性能较差，且其电性能与P Z T 体系材料相比，仍有较大差距，因此目前对N K N 体系的一个重要研究方向，是向N K N中添加第二组元或者更多的组元，寻找具有M P B 的新的二元或多元无铅压电陶瓷体系。从目前的研究结果来看，在纯的N K N 中加入L i N b 0 3 ，L i T a 0 3 ，或L i S b 0 3 及其复合掺杂取代，能使得N K N 的多晶相变温度由2 0 0 。C 左右移至室温附近，形成正交相与四方相共存的M P B ，极大地提高了材料的介电、压电和机电耦合性能，某些组成的性能可以与传统的P Z T 体系材料相媲美。1 5 2本课题的研究思路与内容，铌酸钾钠体系是当今无铅压电陶瓷领域的一个重要研究对象。N K N 具有介电常数低、居里温度高、声学速度高、机械品质因数大、机电耦合系数大、频率常数大等优点，是一种性能优良的无铅压电材料。山东大学的明保全等人【7 2 】制备出性能优良的无铅压电陶瓷体系N a o 5 2 K o , 4 8 - x L i x N b o 9 5 x S b x T a o 0 5 0 3 ，其性能优于Y S a i t o 等人在( ( N a t u r e ) ) 上发表的L F 4 1 4 8 】的性能；同时，其T a 含量也比L F 4 的低5 0 ，由于T a 2 0 5 的价格要远高于N b 2 0 5 ，这就意味着生产成本的降低，有利于实际应用。表1 - 2 山东大学的样品与L F 4 的性能对比然而，两者有一个共同点，即固定T a 的含量而改变L i S b 0 3 的含量，这样 一来，材料虽然能形成M P B ，但是体系的居里温度T 。却明显下降，因为T a 和L i S b 0 3 都会显著降低体系的居里温度【6 2 , 6 7 , 6 9 】。与此不同，本实验中，S b 的含量被固定在较高值，因为S b 的电负性比N b 、T a 的强，S b 的加入能极大地增强铌酸钾钠体系的共价性，这被认为是提高材料铁电性和压电性的重要途径之一【4 8 】；同时，加入等摩尔量的L i 和T a 也能形成具有M P B 的组成，而且L i T a 0 3的加入会小幅增加体系的居里温度【6 7 】，因此有可能获得高压电性及适当居里温度的新体系。为了平衡压电性能与居里温度之间的关系，在本实验中，固定S b的含量为6 m 0 1 ，同时加入等摩尔量的L i 和T a ，以期获得具有高压电性能和较高居里温度的新体系。本课题计划进行三部分工作：一，制备( N a o 5 2 K o 4 8 x L i 。) ( N b o 9 4 x T a x S b o 0 6 ) 0 3( N K N S x L T ) 体系材料，寻找性能优良的组成；二，对第一部分实验所制备的高性能组份进行工艺优化；三，在采用优化工艺制备出的高性能组份中添加C u O ， 研究C u O 掺杂对基体性能的影响。1 2第二章N K N S x L T 体系无铅压电陶瓷的制备和性能2 1引言N K N 基无铅压电陶瓷具有优良的电性能，是当今无铅压电陶瓷领域的研究热点，特别是L i ，T a ，S b 取代改性N K N 体系( N K N L S T ) ，表现出优异的介毫、压电、机电耦合性能以及较好的烧结性能，得到广泛的关注与研究【4 8 , 7 2 - 7 8 】。然而，已经报道过的N K N L S T 体系的性能对组份配比、工艺条件很敏感f 阳】，而且其居里温度相对较低 4 8 , 7 2 】，限制其在实际应用中的工作温区。此外，报道中该体系的压电性能( d 3 3 3 0 0p C N ) 4 8 】和P Z T 基压电陶瓷相比还有较大差距。L i 、T a 、S b 对N K N 的取代改性，使N K N 中的多晶相变( P P T ) 移至室温附近，从而形成正交相与四方相共存的M P B 8 0 8 2 】。这被认为对提高材料的介电和压电性能具有非常重要的作用，因为在M P B 处的自发极化矢量的数量明显增 加，正交相有1 2 个自发极化矢量，而四方相有6 个自发极化矢量，因此在M P B 处有18 个自发极化矢量。然而，不同报道中N K N L S T 的性能差别较大 6 8 - 6 9 , 7 6 , 8 3 】，这不仅是由于该体系的性能对工艺条件十分敏感，还由于L i 、T a 、S b 的加入对N K N L S T 的电性能有不同的影响。例如L i 、T a 对N K N 取代改性形成M P B ，会增加该体系的压电性能【7 0 , 8 4 - 8 7 】，同时增加居里温度；而S b 具有更强的电负性【4 引，它对N K N 的取代改性可以增加体系的共价性，从而显著提高体系的压电性能，但同时也会降低体系的居里温度T 。【s 8 1 。此外，研究发现，L i 、T a 改性对N K N 体系的介电性能提高较少6 7 棚，7 9 , 8 1 , 83 1 ，而S b 改性N K N 体系的介电性能有明显提高【6 9 , 7 4 】。这些表明，要开发性能优异的N K N L S T 体系陶瓷，L i 、T a 、S b 的加入量要合适。本章中，为了兼顾N K N L S T 体系的电性能和居里湿度，圃定S b 的含量为6 m 0 1 。考虑到烧结过程中N a 比K 挥发严重，因此使N a 比K 稍微过量，在组分( N a o 5 2 K o 4 8 ) ( N b 0 9 6 S b o 0 4 ) 0 3 的基础上，加入等摩尔量的L i 和T a 来形成M P B ，以期获得优良性能。2 2样品的制备与测试2 2 1样品的制备 本实验中，N b 、T a 、S b 共同取代改性的N K N 体系的化学分子式为( N a o 5 2 K o 4 8 x ) ( N b o 9 4 x S b o 0 6 ) 0 3 x L i T a 0 3 ( x = 0 0 2 5 ，0 0 3 ，0 0 3 5 ，0 0 3 7 5 ，0 0 4 ，O 0 4 2 5 ，O 0 4 5 ，0 0 5 ) ，根据该配方，采用传统烧结方法制各样品。原料选用分析纯的N a 2 C 0 3 ( 9 9 8 ) 、K 2 C 0 3 ( 9 9 0 ) 、L i 2 C 0 3 ( 9 9 9 ) 、N