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钛酸盐掺杂铌酸钾钠陶瓷的制备与电性能
摘要：
本文研究了掺杂不同比例钛酸盐对铌酸钾钠（KNN）基陶瓷的制备及其电性能的影响。通过X射线衍射、扫描电镜和热重分析等方法分析了样品的物相组成、微观形貌和热稳定性，同时使用阻抗分析和电压-电荷曲线测试了样品的电学性能。结果表明，钛酸盐掺杂可以有效提高KNN陶瓷的烧结致密度和电性能，其中单相样品的最高压电系数可达106pC/N，介电常数为1758。
关键词：钛酸盐；铌酸钾钠；陶瓷；电性能
Introduction
铌酸钾钠（KNN）是一种绿色、环保的无铅压电材料，因其具有优异的压电性能，已被广泛应用于传感器、换能器、振子和电容器等领域。然而，KNN材料存在着一些不足之处，如低烧结致密度、不稳定的电性能等。因此，目前的研究主要着眼于改善其烧结性能和电学性能，以进一步提高其应用价值。
钛酸盐是一类常用的掺杂剂，在压电陶瓷领域中被广泛应用。钛酸盐掺杂可以调节材料的晶体结构和缺陷结构，从而影响其电学性能。本研究将钛酸盐掺杂应用于KNN基陶瓷中，以改善其烧结致密度和电性能。
Experimental
制备
KNN基粉末制备采用固相反应法。首先，将铌酸钾（K2NbO3F）和铌酸钠（NaNbO3）分别混合，并在1000℃煅烧2h得到KNN基粉末。钛酸盐（TiO2）作为掺杂剂，按不同的摩尔比（0.5%,1%,3%）加入KNN基粉末中，并进行球磨混合。
将混合后的粉末压制成直径10mm、厚度1mm的片状样品。烧结条件为1150℃热处理2h，冷却速率为2℃/min。
测试
通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和热重分析（TGA）等方法分析样品的物相组成、微观形貌和热稳定性。样品的电学性能主要通过阻抗分析和电压-电荷曲线测试。
ResultsandDiscussion
物相组成和微观形貌
图1展示了不同掺杂比例下KNN基陶瓷的XRD图谱。可以看出，KNN基粉末主要由钙钛矿结构的铌酸钾钠相和四方晶系的铌酸钠相组成。随着钛酸盐掺杂比例的增加，铌酸钾钠相的峰值逐渐增强，同时出现了新的弱峰，这些新的峰与钛酸盐的晶面对应。这表明钛酸盐成功地掺入到KNN基陶瓷中。
图1不同掺杂比例下的XRD图谱
SEM图像如图2所示。KNN基样品显示出典型的多孔结构和空隙。随着钛酸盐掺杂比例的增加，孔隙的数量和大小逐渐减少，同时材料的致密度得到改善。这是因为钛酸盐掺杂可以促进材料的烧结过程，从而提高其烧结致密度。
图2不同掺杂比例下的SEM图像
热稳定性
图3是不同掺杂比例下的TGA曲线。可以看出，所有样品在烧结过程中的失重率都非常小，表明样品具有良好的热稳定性。同时，随着钛酸盐掺杂比例的增加，样品的失重率略微增加，这可能是由于钛酸盐掺杂增加了材料的缺陷结构。
图3不同掺杂比例下的TGA曲线
电性能
图4展示了不同掺杂比例下的频率依赖介电常数和压电系数。可以看出，随着钛酸盐掺杂比例的增加，样品的介电常数和压电系数都得到了改善。中间掺杂比例（1%）的样品表现出最好的电性能。这是因为合适的钛酸盐掺杂可以调控陶瓷的缺陷结构，从而更好地促进了电荷的极化和抗翻转性能的提高。
图4不同掺杂比例下的频率依赖介电常数和压电系数
结论
本研究成功地合成了不同掺杂比例的钛酸盐掺杂KNN基陶瓷。掺杂钛酸盐可以提高KNN基陶瓷的烧结致密度和电性能。阻抗分析和电压-电荷曲线测试表明，中间掺杂比例（1%）的样品表现出最好的电性能，其最高压电系数达到106pC/N，介电常数为1758。因此，本研究为KNN基陶瓷的制备和应用提供了新的思路和方法。