铌酸钠钾系无铅压电陶瓷制备及其性能研究

论文摘要

压电陶瓷材料在超声换能器、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。铅基PZT材料在压电材料研究和应用领域一直占据着主导地位。但是铅的毒性很高,随着人们环境意识的提高,研发环境友好的无铅压电陶瓷己成为研发的热点材料之一。碱金属铌酸盐压电陶瓷以其优良的性能备受人们的关注。本论文探索了KNN陶瓷的固相合成法制备工艺和极化工艺,KxNa1-xNbO3无铅压电陶瓷当x在0.4～0.5范围变化时,生成的主晶相均为正交结构。KNN50压电陶瓷显示出较好的压电性能。KNN50压电陶瓷的最佳烧结温度为1050℃～1080℃之间。KNN压电陶瓷的最佳极化工艺为:极化电场3kV/mm,极化温度120℃,极化时间20min。为进一步提高电学性能,对KNN陶瓷进行了LiNbO3（LN）掺杂改性。Lix（K0.5Na0.5）1-xNbO3无铅压电陶瓷当x≥0.04时出现K3LiNb6O17相,该相在陶瓷烧结过程中类似于液相的作用。当x≥0.08时出现LiNbO3相陶瓷性能下降,在x=0.06时存在正交-四方相准同型相界,陶瓷性能最优。LN的掺杂使KNLN陶瓷的TO-T降低,但TC增加。MnO2掺杂KNLNST压电陶瓷有细化晶粒的作用,使陶瓷变“硬”。陶瓷的TO-T温度提高,而居里温度TC则由未掺杂的310℃左右提高到400℃。在MnO2掺杂量为0.5mol%时材料综合性能最好,此时d33=186pC/N,kp=41.8%,Qm=72,tanδ=0.051,εr=723,TC=400℃。CuO的掺杂降低了KNN-LS压电陶瓷的烧结温度。大大提高了陶瓷的机械品质因数,降低了介质损耗,对陶瓷起到硬化作用。将掺杂0.5mol% MnO2的KNLNST压电陶瓷应用到自行研制的直线型超声电机中,电机最大输出速度为20mm/s,最大输出力为0.5N。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 压电材料概述
• 1.2.1 压电材料的压电效应及晶体的压电性
• 1.2.2 压电材料的铁电性
• 1.2.3 压电材料的分类
• 1.2.4 压电陶瓷的晶体结构
• 1.2.4.1 钙钛矿型结构
• 1.2.4.2 铌酸锂型结构
• 1.2.4.3 钨青铜型结构
• 1.2.4.4 铋层状型结构
• 1.2.5 压电陶瓷材料的主要应用
• 1.3 无铅压电陶瓷的研究进展
• 3（BT）基无铅压电陶瓷体系'>1.3.1 BaTiO₃（BT）基无铅压电陶瓷体系
• 1.3.2 BNT 基无铅压电陶瓷体系
• 1.3.3 铌酸盐系无铅压电陶瓷体系
• 1.4 研究目的
• 1.5 论文的主要工作及创新点
• 第二章 陶瓷烧结机理及实验方法
• 2.1 陶瓷烧结机理
• 2.1.1 陶瓷烧结定义
• 2.1.2 烧结机理
• 2.1.3 烧结动力学
• 2.1.3.1 升温阶段
• 2.1.3.2 保温阶段
• 2.1.3.3 冷却阶段
• 2.2 固相法制备KNN 系陶瓷工艺
• 2.3 测试技术与方法
• 2.3.1 陶瓷相组成与显微结构分析
• 2.3.2 陶瓷介电性能测试
• 2.3.3 介质损耗
• 2.3.4 机械品质因数
• 2.3.5 压电常数
• 2.3.6 机电耦合系数
• 2.3.7 陶瓷密度测试
• 第三章 KNN 无铅压电陶瓷研究
• 3.1 引言
• 3.2 KNN 陶瓷的制备
• 3.3 KNN 陶瓷的相结构
• 3.4 KNN 陶瓷的微观形貌
• 3.5 KNN 陶瓷电学性能
• 3.5.1 KNN 陶瓷的压电性能
• 3.5.2 KNN 陶瓷介电性能
• 3.5.3 KNN 陶瓷的铁电性能
• 3.6 烧结温度对 KNN 电学性能的影响
• 3.7 极化工艺对压电性能的影响
• 3.7.1 极化电场的选择
• 3.7.2 极化温度的选择
• 3.7.3 极化时间的选择
• 第四章 KNLN 无铅压电陶瓷研究
• 4.1 引言
• 4.2 KNLN 陶瓷的制备
• 4.3 KNLN 陶瓷的相结构
• 4.4 KNLN 的微观形貌
• 4.5 KNLN 陶瓷的电学性能
• 4.5.1 KNLN 陶瓷的压电性能
• 4.5.2 KNLN 的介电性能
• 4.5.3 KNLN 的铁电性能
• 第五章 KNN 系陶瓷的掺杂与应用
• 2掺杂对 KNLNST 压电陶瓷性能的影响'>5.1 MnO₂掺杂对 KNLNST 压电陶瓷性能的影响
• 5.1.1 试样的制备
• 5.1.2 试样形貌与结构分析
• 5.1.3 Mn 掺杂 KNLNST 陶瓷的电学性能
• 5.2 CuO 掺杂对 KNN-LS 陶瓷性能的影响
• 5.2.1 CuO 掺杂 KNN-LS 陶瓷的制备
• 5.2.2 CuO 掺杂 KNN-LS 陶瓷的微观形貌
• 5.2.3 CuO 掺杂 KNN-LS 陶瓷的电学性能
• 5.3 铌酸盐压电陶瓷在超声电机中的应用研究
• 5.3.1 超声电机特点及对压电陶瓷的性能要求
• 5.3.2 定子结构及工作模态
• 5.3.2.1. 定子结构
• 5.3.2.2 模态分析
• 5.3.3 驱动机理及谐响应分析
• 5.3.3.1 电机驱动机理
• 5.3.3.2 定子谐响应分析
• 5.3.4 电机结构设计及实验结果
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文