铌酸钾钠基压电织构陶瓷的模板晶粒生长法制备研究.doc

铌酸钾钠基压电织构陶瓷的模板晶粒生长法制备研究(K,Na)NbO₃基无铅压电晶体材料由于其性能优异,已被认为是传统PZT陶瓷极具潜力的替代品。与单晶相比,具有晶粒取向的KNN陶瓷制备周期短,成本低,因此织构化的KNN陶瓷化得到了迅速发展。本文选择K_0.5Na_0.5NbO₃（KNN）体系为研究对象,探索晶种种类和含量对KNN陶瓷致密化和电性能的影响,利用柱状KNN微晶粉体为籽晶模板,采用模板晶粒生长法（TGG）和涂刷流延成型工艺制备KNN织构陶瓷,研究KNN织构陶瓷的烧结行为、织构度以及沿不同方向的电性能。首先采用固相法合成的KNN粉体为基体,熔盐法合成的针状KSr₂Nb₅O₁₅（KSN）微晶为晶种,制备出（1-x）KNN-xKSN复相陶瓷,研究了晶种含量以及烧结工艺参数对陶瓷的密度、微观组织结构以及介电性能的影响规律。结果表明:少量KSN晶种的添加,能够有效促进陶瓷的致密化过程,当x=0.15时,陶瓷密度达到最大值（>98%）,并且晶粒尺寸均匀;随着晶种含量的增加,复相陶瓷的烧结温度相应提高,钙钛矿结构相向钨青铜结构相发生转变,证实针状KSN微晶不适合作为籽晶模板去制备KNN织构陶瓷。其次采用熔盐法合成了针状的前驱体,探索了KSN晶种和SrCO₃的添加对前驱体分散性和形貌的影响规律。通过拓扑化学法将分散性较好的前驱体转化为KNN微晶粉体,研究了SrCO₃含量对前驱体和KNN微晶相结构和形貌的影响规律。研究表明:Sr含量对钨青铜结构前驱体到钙钛矿结构KNN的相转变有着显著的影响,当SrCO₃含量小于等于0.4时,前驱体能够全部转化为钙钛矿相,合成的微晶颗粒保持了前驱体的非等轴形貌,长径比约为12,并且具有较高的烧结活性。最后采用固相法合成的KNN粉体为基体,拓扑化学转化法合成的柱状KNN微晶为晶种,制备KNN基多晶陶瓷材料,研究了晶种含量对KNN基多晶陶瓷材料烧结特性、微观组织结构和电性能的影响规律。结果表明:随着晶种含量的增加,KNN基陶瓷烧结温度升高,密度先增大后减小,当晶种含量为40wt%时,相对密度达到95.7%,陶瓷晶粒呈现“双晶”结构,居里温度T_c=350℃,压电常数d₃₃=118pC/N。以优化的组成为原料（40wt%微晶作模板,60wt%基体）,采用涂刷流延成型工艺,获得了KNN织构陶瓷。结果表明:KNN织构陶瓷的微观组织和电性能均表现出了明显的各向异性,平行流延方向含有条状晶粒,并且定向排布,垂直流延方向均为多边形等轴形貌晶粒;平行流延方向的介电性能小于垂直流延方向,而垂直流延方向的最大介电常数达到了20000,压电常数为142pC/N。