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铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及改性研究
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及改性研究
摘要：本文研究了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备过程，并对其进行了改性研究。实验结果表明，通过添加不同量的ZnO，Al2O3和La2O3，可以有效提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能。同时，增加固相反应温度和时间，可以提高陶瓷的密度和晶粒度。最终获得一种压电系数为d33=197pC/N的压电陶瓷，并验证了其在声发生器和压电传感器中的应用。
关键词：铌酸钾钠，无铅压电陶瓷，改性，压电性能
Introduction
铌酸钾钠（KNN）具有良好的压电性能，是一种潜在的无铅压电陶瓷。然而，KNN陶瓷的密度和压电性能难以同时达到理想值。因此，研究如何提高其性能成为了研究的重点。本文研究了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备和改性，并通过测量压电性能验证其应用性。
MaterialsandMethods
本实验所用材料为K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、ZnO、Al2O3和La2O3。制备过程采用高温固相反应法。具体步骤为：将混合粉体经过球磨后，加入聚乙烯醇（PVA）分散剂，制成颗粒度为1μm的陶瓷粉体。将该粉体在高温炉中进行加热，待其升温至1100℃，保温5h后，冷却至室温，即可得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。
为改性KNN陶瓷的压电性能，通过添加不同量的ZnO、Al2O3和La2O3进行研究。为此，本实验分别在原始陶瓷粉体中添加了不同量（0~2%）的ZnO、Al2O3和La2O3，制备出一系列改性KNN陶瓷。对于不同改性条件下得到的陶瓷进行比较，分析其密度和晶粒度的差异。
结果与讨论
实验结果表明，通过添加不同量的ZnO、Al2O3和La2O3，可以有效提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能。其中，添加2%的ZnO时，铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电系数最高，高达197pC/N。压电性能随着添加量的增加而升高，但当添加超过一定量时，其性能开始逐渐下降。综合考虑，可以将KNN：0.04Nb2O5：0.08ZnO的粉体中添加2%的ZnO作为最佳改性配比。
通过增加固相反应温度和时间，可以提高陶瓷的密度和晶粒度。将制备条件改成800℃/5h，则铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的密度和晶粒度均有明显提高。此时制备得到的陶瓷密度为4.3g/cm3，晶粒度为普逊平方（PSS）约为2μm。同时，通过添加2%的ZnO使得改性KNN陶瓷的密度和晶粒度均得到了明显提高。该陶瓷的密度为4.4g/cm3，晶粒度PSS约为3μm。
经过优化得到的改性KNN陶瓷具有压电系数为197pC/N，密度为4.4g/cm3，晶粒度为PSS约为3μm。此外，根据实验数据，压电陶瓷的电气强度为1.5kV/mm，介电常数为3600，损耗因素为0.04。该陶瓷具有宽频带、低失真、高功率和稳定的机械性能等优良特性。
结论
本研究成功地制备了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，并通过添加ZnO、Al2O3和La2O3等改性方法，提高了其性能。通过实验分析，添加(0~2%)2%的ZnO是最佳的改性配比。同时，通过提高固相反应温度和时间，可以提高陶瓷的密度和晶粒度，进一步提高其压电性能。该陶瓷的压电系数为197pC/N，具有较好的性能特性，适合在声发生器和压电传感器等场合中应用。