无铅压电薄膜的制备与研究进展

结合目前国内外对无铅压电薄膜的研究状况,重点综述了KNN基、BNT基及BZT-BCT系列无铅压电薄膜的研究进展,指出各个系列的无铅压电薄膜所取得的进步,也指出当前无铅压电薄膜所面临的挑战.     

NKLNx-KBT-BZ无铅压电陶瓷的电性能研究

采用传统固相烧结法制备0.92(Na0.51K0.49-xLix)NbO3-0.02K0.5Bi0.5TiO3-0.06BaZrO3(简写为NKLNx-KBT-BZ,x=0.00～0.05)系无铅压电陶瓷.用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、精密阻抗分析仪及铁电性能测试仪等研究了Li+含量对该体系陶瓷的晶相、显微结构和电性能的影响.结果表明:在研究组成范围内,陶瓷均具有单一的钙钛矿结构,随着Li+含量的增加,晶体结构从菱方转变为四方结构,并且经过菱方-四方两相共存的准同型相界(MPB)组成区域0.01 ＜x ＜0.03.在MPB区域的四方相边界x=0.03处获得优异的电性能:d33=227 pC/N,kp=39.3;,Qm=69,εT33/ε0=1642,tanδ =2;,Pr=13.3μC/cm2,Ec=1.64 kV/mm.     

(1-x)(K0.49Na0.51)(Nb0.97Ta0.03)O3-xBi0.5Na0.5ZrO3无铅压电陶瓷的结构与电性能研究

采用固相法制备了(1-x)(K0.49Na0.51)(Nb0.97 Ta0.03) O3-xBi0.5 Na0.5 ZrO3(KNNT-BNZ,x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05)无铅压电陶瓷,研究了Bi0.5 Na0.5ZrO3 (BNZ)的掺杂量对KNNT-BNZ陶瓷相结构、微观结构和电性能的影响.结果表明:KNNT-BNZ陶瓷具有纯的钙钛矿结构,随着BNZ掺杂量x的增加,陶瓷从正交相转变为四方相,并在0.03≤x≤0.04出现正交-四方两相共存的多型相转变区域.在该多型相转变区域靠近四方相的边界x =0.04处,陶瓷具有优异的电性能:压电常数d33 =317 pC/N,机电耦合系数kP=36.4;,机械品质因数Qm=68,介电常数ε3T/ε0=1225,介电损耗tanδ =3.1;,剩余极化强度Pr=20.5 μC/cm2,矫顽场Ec=1.16 kV/mm,居里温度Tc=310℃.     

熔盐法制备高性能铌酸钾钠无铅压电陶瓷

用熔盐法合成铌酸钾钠(Na0.52K0.48NbO3,N52K48N)陶瓷粉体,用传统固相烧结工艺制备N52K48N陶瓷.研究了熔盐含量和烧结温度对N52K48N陶瓷粉体及其所制备陶瓷的相结构、微观形貌及电学性能的影响.结果发现,熔盐法在750℃就合成了单一钙钛矿结构的N52K48N陶瓷粉体;随熔盐含量增加,N52K48N陶瓷粉体粒径增大,粉体团聚现象明显减弱.当熔盐与反应物质量之比为1∶5,烧结温度T=1050℃时,所制备的N52K48N陶瓷具有优异的电学性能:压电常数d33=137 pC/N,机电耦合系数kp=32.6;,居里温度Tc=410℃,表明熔盐法是一种很有前途的铌酸钾钠陶瓷制备方法.     

钙钛矿型无铅压电陶瓷研究进展及今后发展思考

高性能压电陶瓷具有战略的至关重要性和实际的不可替代性;高性能无铅压电陶瓷具有重大社会经济意义,已成为国际高技术新材料研究的前沿和热点之一。本文作者及其课题组,十多年来致力于钙钛矿型无铅压电陶瓷,特别是(Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)和(K1/2Na1/2)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷及其应用的研究。本文主要基于作者课题组的研究,综合介绍BNT和KNN基无铅压电陶瓷的组分设计、相界结构及其与材料特性的关联、掺杂对陶瓷性质的影响及其机理、陶瓷的温度稳定性及影响机理、以及陶瓷合成制备新技术等方面的研究进展;概括总结了无铅压电陶瓷在器件上的应用。结合国际发展趋势,对钙钛矿型无铅压电陶瓷今后的研究和发展方向提出了自己的见解。     

Sb掺杂对0.96(K0.49Na0.51)(Nb0.97-xTa0.03Sbx)O3-0.04Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5ZrO3无铅压电陶瓷结构与电性能的影响研究

采用固相法制备了0.96(K0.49 Na0.51)(Nb0.97-xTa0.03Sbx) O3-0.04Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5ZrO3(0.96KNNTSx-0.04BNKZ,x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)无铅压电陶瓷,研究了Sb掺杂量对0.96KNNTSx-0.04BNKZ陶瓷相结构、微观结构和电性能的影响规律.X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)分析结果表明:0.96KNNTSx-0.04BNKZ陶瓷具有纯钙钛矿结构,随着Sb掺杂量x的增加,陶瓷由正交-四方两相共存逐渐转变为四方相,在x≤0.01时,陶瓷为正交-四方两相共存的多型相转变(Polymorphic Phase Transition,PPT)结构,而当x≥0.02时,陶瓷则转变为四方相结构.在PPT向四方相转变的组成边界x=0.02处,陶瓷具有优异的电性能:压电常数d33=345 pC/N,机电耦合系数kp=39.2;,机械品质因数Qm=51,介电常数ε33T/ε0=1520,介电损耗tanδ =2.7;,剩余极化强度Pr=15.4 μC/cm2,矫顽场Ec =1.09kV/mm,居里温度Tc=275℃.     

Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Bi0.5TiO3-BaMnO3无铅压电陶瓷的结构与电性能

采用固相法制备了(0.8 -x)Na0.5 Bi0.5TiO3 -0.2K0.5Bi0.5TiO3-xBaMnO3(简称NBT-KBT-BM)无铅压电陶瓷,研究了不同BM含量(x=0,0.25％,0.50％,0.75％,1.00％,1.25％,物质的量分数)样品的物相组成、显微结构及电性能.结果表明:所制备的NBT-KBT-BM陶瓷样品均为单一的钙钛矿结构.与纯NBT-KBT陶瓷相比,掺BM陶瓷的烧结温度降低,相对密度ρr得到提高.随x的增加,材料的压电常数d33、平面机电耦合系数kp与机械品质因子Qm先增大后减小,而介电损耗tanδ以及退极化温度Td一直降低.BM的掺入降低了材料的矫顽场Ec,提高了剩余极化强度Pr,从而增强了铁电性.当x=0.75％时,陶瓷获得最佳性能:d33=167 pC/N,kp=0.269,Qm=133,εr=774,tanδ=2.93％.     

锆钛酸钡钙压电陶瓷的晶粒尺寸效应研究进展

锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷具有可与锆钛酸铅媲美的压电性能,受到国内外广泛关注.晶粒尺寸是影响锆钛酸钡钙陶瓷电性能的重要因素,其晶粒尺寸效应已成为研究的热点.为此,综述了粉体制备方法、烧结方法、烧结温度和保温时间对锆钛酸钡钙陶瓷的晶粒尺寸及其电性能的影响,并提出了研究中亟待解决的问题.     

CeO2掺杂KNN-LiNbO3无铅压电陶瓷的压电与介电性能研究

采用传统固相烧结法制备了0.98K0.5Na0.5NbO3-0.02LiNbO3-xCeO2(0.98KNN-0.02LN+xCeO2)无铅压电陶瓷.研究了不同CeO2掺杂含量(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04)对0.98KNN-0.02LN陶瓷显微结构和电学性能的影响.研究结果表明:当CeO2掺杂含量从x=0.00到x=0.01和从x=0.02到x=0.03时,样品出现了正交-四方相转变.当x=0.00和x=0.02时,样品都处于正交与四方两相共存状态.CeO2少量掺杂时Ce4+完全进入晶格,表现为"受主"掺杂的特性;而大量CeO2掺杂时,有杂相的生成,主要起到烧结助剂的作用.样品在1080℃下烧结,当掺杂含量为x=0.02时取得最佳的综合性能:d33=104pC/N,Qm=2201,kp=0.24423,εr=804.2,tanδ=8.748;.     

Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5TiO3-BiFeO3 无铅压电陶瓷的介电特性

采用固相反应法制备了系列(1-x)Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5TiO3-xBiFeO3(BNKT-BFx)陶瓷.研究了该陶瓷在室温至500 ℃范围内的介电性能.结果表明:该陶瓷的介电温谱与典型弛豫铁电体的特征不同,存在两个介电反常峰和一个介电损耗峰,只在低温介电反常峰温度附近具有明显的介电常数的频率依赖性,居里温度随频率增加基本不变.首次提出了弛豫铁电体分为本征弛豫和非本征弛豫铁电体的理论.通过分析极化前和极化后陶瓷的介电温谱,发现该体系低温介电反常峰温度附近的介电频率依赖性为空间电荷和缺陷偶极子极化引起的非本征弛豫.     

流延法制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的性能研究

通过流延成型技术,以片状K0.5Na0.5NbO3(简称为KNN)粉体为模板,结合掺杂改性后的基料粉体(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3-0.005BaZrO3(简称为KNNLST-BZ)流延制备出KNN基无铅压电陶瓷,研究了不同的工艺参数(烧结温度、烧结次数)对于KNNLST-BZ织构化陶瓷的电学性能、显微结构的影响.结果表明:模板含量为20wt;的KNNLST-BZ织构化陶瓷在1145℃下保温2h呈现出优异的性能:压电常数d33=204 pC/N,横向机电耦合系数k31=23;,剩余极化强度Pr=26 μC/cm2,矫顽场Ee=1.2 kV/mm.同时该织构化陶瓷在1145℃下烧结2次能得到更优的电学性能:d33 =248 pC/N,k31=32.54;,Pr=38 μC/cm2,Ec=1.2 kV/mm,介电损耗tanδ=6.38;,机械品质因数Qm=16.76,介电常数εT33/ε0=913.7,横向伸缩振动频率常数N1=2244.     

溶胶-凝胶法制备Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Bi0.5TiO3体系无铅压电陶瓷的研究

采用溶胶-凝胶法制备(1-x)Na0.5Bi0.5 TiO3-xK0.5Bi0.5TiO3体系无铅压电陶瓷.XRD分析表明,用溶胶-凝胶法可以在650℃下合成具有钙钛矿结构的(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xK0.5Bi0.5TiO3粉体,且在x=0.18～0.30之间存在三方-四方准同型相界(MPB).陶瓷的压电性能参数表明,该体系在MPB组成范围内具有最佳的压电性能:x=0.30时,压电常数d33达到最大值(d33=150 Pc·N-1),平面机电耦合系数kp与介电常数εH33T/ε0均在x=0.26时达到最大值,分别为36.7;和1107.     

无铅压电陶瓷的研究进展

BaTiO3、Na0.5Bi0.5TiO3和K0.5N0.5NbO3三大体系无铅压电陶瓷因其优异的压电介电性能,尤其是以准同型相界(MPB)多晶型相界(PPB)附近优异的压电性能受到极为深入和广泛的研究.结合近几年相关文献报道,分析和评价了三大体系无铅压电陶瓷的组分设计和相界构建与性能调控的最新研究进展,讨论了离子或化合物掺杂改性、制备工艺以及压电性能与微观结构之间的关系等关键科学和技术问题.分析并展望了体系构建、新制备工艺以及相关理论在无铅压电陶瓷研究领域的研究前景.     

BiMnO_3改性BNT-BKT压电陶瓷的研究

为了提高BNT基压电陶瓷的电性能,采用传统的陶瓷制备方法,制备了一种Bi基的钙钛矿型无铅压电陶瓷 (1-x)Bi_(0.5)(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)TiO_3-xBiMnO_3 (简写为BNKT-BMx).研究了Bi基铁电体BiMnO_3对该体系陶瓷微观结构和压电介电性能的影响.结果表明:在所研究的组成范围内陶瓷材料均能够形成纯钙钛矿固溶体,微量BiMnO_3不改变该体系陶瓷的晶体结构,但促进晶粒生长.随着BiMnO_3含量增加,低温介电反常峰消失,高温介电峰出现频率分散性.随BiMnO_3含量增加,压电常数d_(33)和机电耦合系数k_p先增加后降低,在x=0.01时,k_p=0.333,x=0.015时,d_(33)=170 pC/N,为该体系陶瓷压电性能的最优值.     

(Na1/2Bi1/2)TiO3-(Na1/2Bi1/2)(Zn1/3Nb2/3)O3无铅压电陶瓷的介电特性研究

采用固相合成法制备了(1-x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-x(Na1/2Bi1/2)(Zn/23Nb2/3)O3(简写为(1-x)NBT-xNBZN)无铅压电陶瓷.研究了该体系陶瓷晶体结构、弥散相变特征与介电弛豫行为.X射线衍射分析表明,所研究的组成均能够形成纯钙钛矿(ABO3)型固溶体.当x≥0.5%摩尔分数时,该体系陶瓷具有三方、四方共存的晶体结构.材料的介电常数-温度曲线显示陶瓷具有两个介电反常峰Tf和Tm.修正的居里-外斯公式较好的描述了陶瓷弥散相变特征,弥散指数随x的增加而增加.x≤0.5%摩尔分数的陶瓷仅在低温介电反常峰Tf附近表现出明显的频率依赖性,随x的增加,陶瓷材料在室温和低温介电反常峰Tf之间都表现出明显的频率依赖性.根据有序-无序转变和宏畴.微畴转变理论探讨了该体系陶瓷介电弛豫特性的机理.     

B位复合离子取代BNT无铅陶瓷的压电介电性能

采用两步合成工艺,制备了新型Bi1/2Na1/2Tix(Mg1/3Nb2/3)xO3,系无铅压电陶瓷.研究了B位复合离子取代对BNT陶瓷的晶体结构及压电与介电性能的影响.X射线衍射分析表明,所研究的组成均能够形成纯钙钛矿(ABO3)型固溶体;当x=0.015时,该体系陶瓷具有较佳的压电性能:压电常数d33=101 pC/N;k,=0.48.陶瓷材料的介电常数-温度曲线显示该体系材料具有明显的弥散相变特征.该体系陶瓷具有高kt值,低kp值;其比值kt/kp较大,具有较大的各向异性,是一种适合高频下使用的优良的超声换能材料.     

CuO掺杂对KNN-BNZ无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统固相反应法制备了0.97K05Na0.5NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3+xmo1; CuO (0.97KNN-0.03BNZ+xCu)无铅压电陶瓷.研究不同CuO掺量(x=0、0.5、1、2、3和4)对0.97KNN-0.03BNZ陶瓷的显微结构和电学性能的影响.结果表明:CuO的掺入使材料出现“硬化”现象,机械品质因数Qm有明显提高,矫顽场显著增大.CuO的掺入量在3;时,样品的综合性能最佳:压电常数(d33)为137 pC/N,机电耦合系数(kp)为0.30,机械品质因数(Qm)为238,介电损耗(tanδ)为1.5;.另外,从SEM图片中可以看出:0.97KNN-0.03BNZ压电陶瓷材料的平均晶粒尺寸随着CuO掺入量的增加明显增大,这表明CuO有烧结助熔作用,能降低烧成温度.     

MgO掺杂对PMMN四元系压电陶瓷结构与性能的影响

采用固相烧结法制备添加过量MgO的铌镁-铌锰-锆钛酸铅(PMMN)四元系压电陶瓷材料,研究了不同MgO掺杂量对材料结构及压电介电性能的影响.实验结果表明,适量MgO掺杂,不仅不改变PMMN压电陶瓷的钙钛矿相结构,且能提高合成粉体的晶化程度,降低陶瓷的烧结温度,改善材料的压电介电性能.当MsO掺杂量为0.25;质量分数,1130℃烧结的样品性能参数为:d33=310 pC/N,Qm=1008,kp=0.61,tan δ=0.34;,ε33T/ε0=1494,是一种中温烧结功率型压电陶瓷材料,适用于多层压电变压器,超声马达等器件.     

CuO掺杂对KNN-LS-BF无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统固相合成法和制备工艺,在1040℃制备了{0.996 [0.95( Na0.5 K0.5)NbO3-0.05LiSbO3 ]-0.004FeBiO3}+x mol; CuO(KNN-LS-BF+x mol; CuO)无铅压电陶瓷,研究了CuO掺杂量对陶瓷结构和性能的影响.结果表明,CuO的低温促烧作用明显,微量CuO的掺入并没有改变陶瓷体系的相结构,但对陶瓷的压电和介电性能有明显影响.随CuO掺杂量的增加,陶瓷的d33、kp、εr均是先升高后降低,并在x=0.15时,d33、kp、εr分别达到最大值222 pC/N、0.36、1223.14;Qm也是先升高后降低,不过是在x=0.3时达到了最大值66.02.而tanδ则是先降低,在x=0.45达到最小值2.5;后又开始回升.在x=0.15时,所制备压电陶瓷有最好的综合性能:d33=222pC/N,kp=0.36,εr=1223.14,tanδ=3.3;,Qm =52.27.     

BNBT无铅压电陶瓷晶粒定向生长

采用固相合成法制备了0.94(Na1/2 Bi1/2)TiO3-0.06BaTiO3(BNBT)陶瓷粉体,用传统压电陶瓷工艺制备了无铅压电陶瓷,研究了烧结工艺对其径向收缩率和相对密度的影响.结果表明:随着保温时间的增加,径向收缩率和相对密度都出现了极大值.将陶瓷粉体与分散剂均匀混合制成高固相含量的浆料,以SrTiO3(100)单晶基片做模板,通过流延法制备了晶粒定向生长模型材料,初步探讨了热处理工艺对晶粒定向生长习性的影响.结果表明,随着保温时间的增加,晶体生长层厚度增加,生长层致密度增大.