准同型相界内KNN-LS-BF无铅压电陶瓷的烧结与压电性能

KNN基无铅压电陶瓷组分设计与相界构建研究进展KNN (K-sodium Niobate)基无铅压电陶瓷是一种具有优良压电性能的无铅压电材料，在电子器件、传感器、声波器件等方面具有广泛的应用前景。

近年来，KNN基无铅压电陶瓷的组分设计和相界构建成为研究的热点之一，通过对组分的调控和相界的控制，可以实现材料性能的优化和稳定。

本文将综述KNN基无铅压电陶瓷组分设计与相界构建的研究进展。

1.KNN基无铅压电陶瓷的研究现状KNN基无铅压电陶瓷由钾钙钛矿结构和锂钙钛矿结构构成，具有优良的压电性能和优越的功率密度。

然而，KNN基无铅压电陶瓷存在一些问题，如相转变温度较低、压电性能不稳定等，限制了其在实际应用中的推广。

因此，如何通过组分设计和相界构建来改善KNN基无铅压电陶瓷的性能成为当前研究的重点。

2.KNN基无铅压电陶瓷的组分设计组分设计是通过调控材料的化学成分来改善材料的性能。

在KNN基无铅压电陶瓷中，钾、钙、钛和锂是最主要的元素，它们的组成比例对材料的压电性能起着至关重要的作用。

研究表明，适当的调控钠、铌等元素的含量可以有效地提高KNN基无铅压电陶瓷的压电性能和热稳定性。

此外，掺入微量的稀土元素、铁、镁等元素也可以改善材料的性能。

3.KNN基无铅压电陶瓷的相界构建相界构建是指通过调控材料的晶体结构和晶界来改善材料的性能。

KNN基无铅压电陶瓷具有复杂的相结构，包括钾钙钛矿结构、锂钙钛矿结构、钙钛矿结构和钛氧钙钛矿结构等。

在实际应用中，通过控制相界的位置和分布，可以有效地提高材料的压电性能和稳定性。

目前，研究人员通过晶体取向控制、相界工程等方法来构建KNN基无铅压电陶瓷的相界，取得了一定的研究进展。

4.总结与展望KNN基无铅压电陶瓷的组分设计与相界构建是提高其性能的重要途径。

当前，通过调控材料的化学成分和晶体结构，可以有效地改善KNN基无铅压电陶瓷的压电性能和稳定性。

未来的研究方向包括提高材料的制备工艺、优化组分设计、深入研究相界构建等，将进一步推动KNN基无铅压电陶瓷的研究和应用。

无铅压电陶瓷KNN常压烧结及其电学性能张东升;田爱芬【摘要】用常压烧结法制备K0.5Na0.5NbO3陶瓷.研究烧结温度与陶瓷密度和电学性能的关系.研究表明在1065℃～1120℃范围内,温度对陶瓷的密度有显著影响.当烧结温度为1100℃时,密度达到4.35 g/cm3(占理论密度的95％); 1100℃烧结的陶瓷表现出最好的电学性能,压电常数最大118 pC/N,相对介电常数最大达538,介电损耗最小仅4.7％,剩余极化强度为15.37 μC/cm2,矫顽场为13.16 kV/cm.陶瓷样品在206℃从正交结构转变到四方结构,居里温度为410℃.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2013(028)009【总页数】4页(P967-970)【关键词】铌酸钾钠;无铅压电陶瓷;常压烧结【作者】张东升;田爱芬【作者单位】西安交通大学机械工程学院,西安710049;西安科技大学材料科学与工程学院,西安710054【正文语种】中文【中图分类】TM282随着信息技术的发展,压电陶瓷作为该领域内的一类关键性材料,被人们广泛深入地研究,其中PZT基压电陶瓷以其优越的压电性能一直在工业生产及生活中占着主导地位。

然而,铅基材料中有害物质氧化铅(或四氧化三铅)占总质量的70%以上,造成了严重的环境污染。

因此,开发无铅压电材料是一项紧迫且有重大意义的研究课题[1-2]。

Na0.5K0.5NbO3 (KNN)压电陶瓷属于钙钛矿型结构[3-6],具有居里温度高(Tc=420 ℃)、介电性能适中等特性,但该体系陶瓷的密度不高。

有人用等离子体烧结法[7-8]或热压烧结法[3]获得了较为致密的陶瓷,但这些方法成本高,制备工艺复杂,不利于KNN陶瓷制备工艺的工业化。

实验证明,通过传统的电子陶瓷生产工艺制备陶瓷是最有效且成本最低的方法。

但由于该体系制备的陶瓷对温度、湿度特别敏感,所以采用传统生产工艺制备的陶瓷往往不具有优良的电学性能[9]。

KNN基无铅压电陶瓷的研究进展吕会芹;武丽明;王淑婷;迟庆斌;刘泳;初瑞清;徐志军【摘要】KNN基无铅压电陶瓷由于具有优越的电学性能和较高的居里温度而成为最重要的无铅压电材料之一．本文主要综述近期国内外有关铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备新技术，以及在掺杂改性方面的研究进展，并展望了其发展趋势．%KNN based lead-free piezoelectric ceramics have been one of the most important lead-free piezoelectric materials as they reveal excellent piezoelectric properties and high Curie temperature. The research progress and trend of KNN based ceramics were summarized and reviewed with emphasizes on the new processing techniques and modification in this paper. Finally, the future prospect of KNN based piezoelectric ceramics was predicted.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(025)002【总页数】5页(P43-47)【关键词】无铅压电陶瓷;KNN;掺杂改性【作者】吕会芹;武丽明;王淑婷;迟庆斌;刘泳;初瑞清;徐志军【作者单位】聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059;聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059;聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059;聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059;聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059;聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059;聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059【正文语种】中文【中图分类】TM2820 引言压电陶瓷是一种能够将机械能和电能转换的具有压电效应的功能材料，广泛应用于电子、机械等各种领域.目前大规模使用的压电陶瓷材料体系主要是铅基压电陶瓷.铅基压电陶瓷具有优异的压电性能，并且可以通过掺杂取代来调节其性能以满足不同需求，但是这些陶瓷材料中含有大量对人体和环境有害的Pb.目前环境保护问题日益引起人们的关注，压电陶瓷材料将最终实现无铅化［1］，因而环境友好型无铅压电陶瓷成为研究的热点［2－4］.其中铌酸钾钠基（K，Na）NbO3无铅压电陶瓷以其相对优越的压电性能和较高的居里温度倍受关注.但（K，Na）NbO3（简称KNN）的制备工艺性差，对烧结温度非常敏感，其烧成温度通常较窄，使用传统固相反应烧结技术得到的KNN，其致密度很差［5，6］.研究发现，采用新的制备技术或通过掺杂改性的方法可以制备出致密的KNN陶瓷，进而改善KNN陶瓷的烧结特性和电学性能.本文结合近年国内外有关KNN基无铅压电陶瓷的研究，介绍了有关（Na，K）NbO3基无铅压电陶瓷在制备技术和掺杂改性方面的研究进展.1 KNN基无铅压电陶瓷的制备技术研究进展国内外学者对KNN基无铅压电陶瓷的制备技术、方法和工艺进行了积极探索，从陶瓷的粉体制备、成型、烧结等方面开展研究，先后出现了一些制备无铅压电陶瓷的新技术方法.如：溶胶－凝胶法、水热法、熔盐法、柠檬酸法、陶瓷晶粒定向技术、放电等离子烧结技术等.1.1 溶胶－凝胶法溶胶－凝胶（Sol－Gel）法将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其它组分，在一定温度下经过水解和缩聚反应而逐渐凝胶化，再经干燥和烧结等热处理制成纳米级的粉体［7，8］，然后再制备成无铅压电陶瓷.溶胶－凝胶法是制备粉体的一种低温工艺，具有制品纯度高、化学均匀性好、颗粒细、可容纳不容性组分和不沉淀组分、掺杂分布均匀、合成温度低、成分容易控制、工艺设备简单等优点，因此许多学者对其进行了研究［7－10］.Zhang［9］等人研究发现使用溶胶－凝胶法可以显著降低KNN的烧结温度，达到750℃.1.2 水热法水热法是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度（或接近临界温度），创造一个相对高温、高压的反应环境，进行无机合成与材料处理的一种有效方法［11］.水热法是一种基于水溶液反应的化学合成方法，而溶剂热法是将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒，采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料.Bai［12］等在水热溶剂热条件下制备了晶型规整的纳米级尺寸的KNN陶瓷粉体.然而目前对由粉体烧结成的陶瓷的电学性能的研究报道甚少，因此对水热法合成无铅压电陶瓷仍需要进一步的研究［13］.1.3 熔盐法熔盐法通常采用一种或数种低熔点的盐类作为反应介质，反应物在熔盐中有一定的溶解度，使得反应在原子级进行.反应结束后，采用合适的溶剂将盐类溶解，经过滤洗涤后即可得到合成产物.由于低熔点盐作为反应介质，合成过程中有液相出现，反应物在其中有一定的溶解度，大大加快了离子的扩散速率，使反应物在液相中实现原子尺度混合，反应就由固固反应转化为固液反应.该法相对于常规固相法而言，具有工艺简单、合成温度低、保温时间短、合成的粉体化学成分均匀、晶体形貌好、物相纯度高等优点［14，15］.另外，盐易分离，也可重复使用.Li［15］等运用熔盐法制备出了具有优异电学性能和较高居里温度（tanδ＝0.026，d33＝230pC／N，kp＝37%，Qm＝520，Tc＝397℃）的KNN基压电陶瓷.1.4 其他制备技术其他的压电陶瓷制备新技术同样制备出了性能优异的陶瓷体.郝继功等［16］利用柠檬酸法制备了KNN无铅压电陶瓷，在550℃的低温就已经合成出了具有纯钙钛矿结构相的KNN粉体材料，经1 100℃烧结后得到了KNN陶瓷，其居里温度为415℃，d33值为58pC／N.Satio［2］等采用Bi2.5Na3.5Nb5O18片状晶粒为原料制备得到NaNbO3片状晶粒作为模板，再辅以NaNbO3、KNbO3、KTaO3、LiSbO3晶粒混合，经流延叠层和烧结制得取向度较高的（K0.44Na0.52Li0.04）（Nb0.84Ta0.10Sb0.06）陶瓷，且其部分压电性能（d33＝416pC／N）与传统的PZT压电陶瓷相当.Li等［17］采用放电等离子烧结技术，制备出了相对密度99%的KNN陶瓷，且具有相当好的铁电和压电性能（d33＝148pC／N，kp＝0.389，Tc＝395℃）.2 KNN基无铅压电陶瓷的掺杂改性研究新的制备工艺能较好的解决KNN较差的烧结特性，但是与传统烧结工艺相比，这些新工艺能耗大，成本高，工艺复杂而很难实现大规模的工业生产.因此通过掺杂改性来改善KNN陶瓷的烧结特性和电性能，实现用传统烧结工艺制备出高性能的KNN系列陶瓷是目前研究的主要方法.近年来，国内外学者从离子取代改性、添加新组元和添加烧结助剂三个方面对KNN基无铅压电陶瓷作了大量掺杂改性研究. 2.1 离子取代改性2.1.1 A位离子掺杂.KNN钙钛矿结构中，Na＋、K＋占据A位，B位由Nb5＋填充.（Na0.5K0.5）NbO3陶瓷A位离子掺杂主要包括Li＋、Ag＋和碱土金属离子（Mg2＋、Ca2＋、Sr2＋及Ba2＋）.江向平［18］等利用固相反应法制备了（Na0.52K0.48－xLix）（Nb0.86Ta0.10Sb0.04）O3系无铅压电陶瓷，研究了A位Li＋掺杂对KNN陶瓷性能的影响，研究发现，Li＋含量的改变对其物相组成、压电性能、铁电性能、介电性能都有显著影响，随着Li＋含量的增加，晶粒变小，微观结构更紧密，居里温度不断升高，介电损耗明显降低，压电常数、平面机电耦合系数、介电常数值都相应的先增大后减小，在Li＋含量为0.04时达到极大值.此外国内外也比较注重对Ag＋掺杂的研究，对于［Agx（Na0.5K0.5）1－xNbO3］体系，Lei等［19］研究结果表明：当Ag＋掺杂量为18%时，陶瓷性能达到最佳，压电常数d33为186pC／N，平面机电耦合系数kp和居里温度TC分别为0.425和355℃.2.1.2 B位离子掺杂.（Na0.5K0.5）NbO3陶瓷中B位的Nb5＋可由Ta5＋、Sb5＋等离子部分取代，Sb5＋或Ta5＋的取代，可以降低介电损耗，提高陶瓷的压电性能.Matsubara［20］等人研究了Ta5＋取代对KNNK5.4Cu1.3Ta10O29陶瓷性能的影响，在Ta掺杂量为0.3时，可以得到压电常数d33为270pC／N，平面机电耦合系数kp为0.44，介电常数εr为800，介电损耗tanδ为0.01，机械品质因数Qm为1 300的陶瓷.此外Lv Y G［21］等人利用固相反应法制备了（K0.5Na0.5）（Nb1－xTax）O3系无铅压电陶瓷，并且当x＝0.30时，压电常数d33为205pC／N.2.1.3 A位B位离子混合掺杂.KNN基无铅压电陶瓷还可以采用A位和B位离子混合掺杂的方法来改性优化性能，如果A位离子掺杂Li＋或Ag＋，则B位离子可以是Ta5＋或Sb5＋，如果A位掺杂碱土金属离子，则相对应的B位离子为Ti 4＋.Fui Jian等［22］研究的Li、Sb和Ta共掺杂（Na0.52K0.48－x）（Nb0.95－x Sb0.05）O3－xLiTaO3陶瓷具有优越的性能，掺杂的Sb有效地提高了样品的压电性能，并且在x＝0.042 5时，d33高达321pC／N.此外，A位、B位还可以是三价掺杂离子，例如A位为Bi 3＋，B位为Fe3＋、Sc3＋等［5］.江民红等［23］采用传统固相烧结法制备性能良好的铁酸铋（BiFeO3，BF）掺杂的铌酸钾钠（K0.5Na0.5NbO3，KNN）压电陶瓷，结果表明：适量BF有利于提高BF－KNN的压电性能，压电常数（d33）、平面机电耦合系数（kp）与机械品质因数（Qm）分别达134pC／N、46%和364.2.2 添加新组元KNN在室温下具有钙钛矿正交相结构［24］，如果加入具有其他结构的化合物，将会存在准同型相界（MPB）.PZT陶瓷在MPB处具有高的性能，这不仅是两相共存的不稳定状态造成的，而且还是因为在MPB处出现了对称性更低的单斜或三斜相.因此在具有与PZT类似结构和相同特征的KNN陶瓷中引入新的组元，以形成MPB，可以达到提高KNN陶瓷的电性能的目的.目前，KNN和其他化合物组成的二元系无铅压电陶瓷的研究主要是KNN－ATiO3（A＝Sr、Ba），KNN－LiBO3（B＝Sb、Ta）.Yiping Guo等人［25］研究了LiTaO3加入KNN陶瓷中对其压电性能的影响，即（1－x）（Na0.5K0.5）NbO3－xLiTaO3体系，研究发现：在x＝5－6mol%出现了准同型相界，并且在MPB附近压电系数d33达到200pC／N，平面机电耦合系数kp为36%.在KNN 陶瓷中加入BaTiO3可以发现，随着BaTiO3的变化有准同型相界出现，并且在准同型相界附近获得了致密性、压电、介电和铁电性能良好的KNN基无铅压电陶瓷［26］.2.3 添加烧结助剂在固相烧结中，少量烧结助剂可与主晶相形成固溶体促进缺陷增加；在液相烧结中，烧结助剂能改变液相的性质（如粘度、组成等），因而都能起促进烧结的作用.烧结助剂可与烧结主体的某些组分生成液相，由于液相中扩散传质阻力小，流动传质速度快，大大促进颗粒重排，提高了晶界迁移率，使气孔充分排出，促进晶粒的发育，因而降低了烧结温度和提高了坯体的致密度.降低烧结温度还能够减少Na和K 在烧结过程中的挥发，但是这些液相在烧结的后期会留在陶瓷晶界处，如不恰当的选择烧结助剂或加入过量过多，反而会引起阻碍烧结的作用，因为过多的烧结助剂会妨碍晶粒的直接接触，影响传质过程的进行，使其压电性能恶化［27］.因此采用传统固相法制备（Na0.5K0.5）NbO3陶瓷时，必须选择合适的烧结助剂，使其在烧结的中间阶段存在液相，烧结后期全部进入晶粒，与基体材料完全形成固溶体，以改善烧结性能，抑制Na和K的挥发.CuO被认为是良好的（Na0.5K0.5）NbO3陶瓷烧结助剂，CuO的添加不仅有效地降低烧结温度，获得致密的陶瓷体，而且大大提高（Na0.5K0.5）NbO3陶瓷的Qm［28］.例如李香等［29］采用传统陶瓷工艺制备了添加氧化铜的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，与纯KNN陶瓷相比，掺入一定量的CuO后，样品的致密度显著提高；随着CuO含量的增加，陶瓷的机电耦合系数（kp）和机械品质因数（Qm）先增加后减小，而陶瓷的压电常数（d33）无显著变化.陈强等［30］以传统的电子陶瓷制备工艺制备了ZnO掺杂的（Li0.06Na0.5K0.44）NbO3无铅压电陶瓷.研究表明，ZnO的适量引入，不仅可以保持其陶瓷本身所具有的高机电耦合系数的性质，还可以有效地提高（Li0.06Na0.5K0.44）NbO3陶瓷的机械品质因数，降低陶瓷的烧结温度.可在1 000℃烧结得到性能优良的陶瓷体，这是由于在烧结过程中出现了液相.除添加CuO和ZnO外，在体系中添加0.001－0.05的稀土金属锰酸盐LMnO3（L为Y、Er、Ho、Tm、Lu、Yb等稀土元素）或少量MnO2、Cr2O3、CoO等氧化物也可以起到烧结助剂的作用.最近研究发现了新型烧结助剂（K和Na的锗酸盐、Na5.6Cu1.2Sb10O29），当烧结助剂K和Na的锗酸盐添加质量为1%时，1 000℃烧成样品的相对密度为95.6%，降低了其烧结温度并提高压电性能，使其d33达到了120pC／N［31］.随着烧结助剂Na5.6Cu1.2Sb10O29添加量的增加，样品的密度不断提高.添加适量的烧结助剂，不仅使d33显著增大，高达261pC／N，而且还有效地降低了介电损耗，但居里温度Tc有所降低［32］.3 研究展望本文从KNN基陶瓷的制备技术、陶瓷改性等多方面，分析讨论了提高KNN基陶瓷性能的方法，虽然近年来，KNN基无铅压电陶瓷的研究和开发取得了长足的进步，在某些方面得到许多具有实用前景的（K05Na0.5）NbO3基无铅压电陶瓷体系.但是，和铅基压电陶瓷相比，（K0.5Na0.5）NbO3基无铅压电陶瓷还有许多不足之处，还需做大量的研究和开发工作.主要是对（K0.5Na0.5）NbO3基无铅压电陶瓷进行掺杂改性研究，改善陶瓷性能；其次是采用新型合成制备方法，改善材料的活性.相信在不久的将来，KNN基无铅压电陶瓷在整个压电陶瓷材料及其应用中将发挥更大的作用.参考文献【相关文献】［1］ Cross E.Lead－free at last［J］.Nature，2004，432：24－25.［2］ Saito Y，Takao H，Tani T，et al.Lead－free piezoceramics［J］.Nature，2004，432：84－87.［3］ Rodel J，Jo W，Seifert K T P，et al.Perspective on the Development of Lead－free Piezoceramics［J］.J Am Ceram Soc，2009，92（6）：1 153－1 177.［4］张燕杰，初瑞清，徐志军，等.BNT基无铅压电陶瓷研究进展［J］.聊城大学学报：自然科学版，2010，23（4）：63－67.［5］沈宗洋，李敬锋.（Na，K）NbO3基无铅压电陶瓷的研究进展［J］.硅酸盐学报，2010，38（3）：510－520.［6］ Hao J G，Xu Z J，Chu R Q，et al.Effects of MnO2on phase structure，microstructure and electrical properties of（K0.5Na0.5）0.94Li0.06NbO3lead－free ceramics［J］.Mater Chem Phys，2009，118：229－233.［7］王文文，姜全振，范宪勇，等.溶胶－凝胶法制备0.85Pb（Mg1／3Nb2／3）O3－0.15PbTiO3铁电陶瓷及其性能研究［J］.聊城大学学报：自然科学版，2009，22（2）：36－39. ［8］ Kang C，Park J H，Shen D，et al.Growth and characterization of（K0.5Na0.5）NbO3thin films by a sol－gel method［J］.J Sol－Gel Sci Technol，2011，58：85－90. ［9］ Zhang D Q，Qin Z C，Yang X Y，et al.Study on synthesis and evolution of sodium potassium niobate ceramic powders by an oxalic acid－based sol－gel method［J］.J Sol－Gel Sci Technol 2011，57：31－35.［10］王超，侯育冬，吴宁宁，等.新型溶胶－凝胶法制备铌酸锂钠钾纳米粉体［J］.郑州大学学报：工学版，2009，30（1）：75－81.［11］ Dswson W J.Hydrothermal synthesis of advanced ceramic powders［J］.Ceram Bull，1988，67（10）：1 673－1 678.［12］ Bai L，Zhu K J，Qiu J H，et al.Synthesis of（K，Na）NbO3particles by traditional hydrothermal method and high－temperature mixing method under hydrothermal－solvothermal conditions［J］.Res Chem Int，2011，37：185－193.［13］郑凯，沈建兴，范战彪，等.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究进展［J］.山东轻工业学院学报，2009，23（2）：13－29.［14］李月明，王进松，廖润华，等.熔盐法制备铌酸钾钠粉体的研究［J］.人工晶体学报，2010，39（1）：120－124.［15］ Li J H，Sun Q C，et al.Characterization of（Na0.47K0.47Li0.06）（SbxNb1－x）O3ceramics prepared by molten salt synthesis method［J］.Solid State Commun，2009，149：81－584.［16］郝继功，徐志军，初瑞清.柠檬酸法制备（K1／2Na1／2）NbO3无铅压电陶瓷及其性能研究［J］.功能材料，2007（38）：722－723.［17］ Li J F，Wang K.Ferroelectric and piezoelectric properties of pine prained（Na0.5K0.5）NbO3lead－free piezoelectric ceramics prepared by spark plasma sintering ［J］.J Am Ceram Soc，2006，89（2）：706－709.［18］江向平，胡晓萍，江福兰，等.Li改性铌钽酸钾钠无铅压电陶瓷的研究［J］.无机学报，2005，22（3）：465－468.［19］ Lin C，Ye Z G.Lead－free piezoelectric ceramics derived from the K0.5Na0.5NbO3－AgNbO3solid solution system［J］.Appl Phys Lett，2008，93：042 901.［20］ Matsubara M，Yamaguchi T，Kikuta K，et al.Synthesis and characterization of（K0.5Na0.5）（Nb0.7Ta0.3）O3piezoelectric ceramics sintered with sintering aidK5.4Cu1.3Ta10O29［J］.Jap J Appl Phys，2005，44（9）：6 618－6 623.［21］ Lv Y G，Wang C L，Zhang J L，et al.Tantalum influence on physical properties of （K0.5Na0.5）（Nb1－xTax）O3ceramics［J］.Mater Res Bull，2009，44：284－287. ［22］ Fu J，Zuo R Z，Lv D Y.Structure and piezoelectric properties of lead－free（Na0.52K0.442－x）（Nb0.952－xSb0.05）O3－xLiTaO3ceramics［J］.J Mater Sci：Mater Electron，2009，21（3）：241－245.［23］江民红，陈何欣，刘心宇，等.BiFeO3－K0.5Na0.5NbO3无铅压电陶瓷的烧结工艺［J］.硅酸盐学报，2010，38（3）：363－368.［24］ Shirane G，Newnham R，Pepinsky R.Dielectric Properties and Phase Transitions of NaNbO3and（Na，K）NbO3［J］.Phys Rev，1954，96（3）：581－588.［25］ Guo Y P，Kakimoto K，Ohsato H.（Na0.5K0.5）NbO3－LiTaO3lead－free piezoelectric ceramics［J］.Mater Lett，2005，59：241－244.［26］ Zuo R Z，Fang X S，Ye C.Phase structures and electrical properties of new lead－free Na0.5K0.5）NbO3－（Bi0.5Na0.5）TiO3ceramics［J］.Appl Phys Lett，2007，90：092 904.［27］ Saito Y.Alkali Metal－Containing Niobate－Based Piezoelectric Material Composition and A Method for Producing the Same［J］.United States Patent，2002（6）：387－295.［28］ Park H Y，Choi J Y，Choi M K，et al.Effect of CuO on the sintering temperature and piezoelectric properties of（Na0.5K0.5）NbO3 lead－free piezoelectric ceramics ［J］.J Am Ceram Soc，2008，91（7）：2 374－2 377.［29］李香，肖定全，吴浪，等.CuO对KNN基无铅压电陶瓷结构和性能的影响［J］.功能材料，2009，3（40）：387－389.［30］陈强，周建青，肖定全，等.ZnO掺杂对铌酸锂钠钾陶瓷性质影响的研究［J］.四川大学学报：自然科学版，2005，42（2）：346－348.［31］ Bernard J，Bencan A，Rojac T，et al.Low－temperature sintering ofK0.5Na0.5NbO3ceramics［J］.J Am Ceram Soc，2008，91（7）：2 409－2 411.［32］郑立梅，王矜奉，臧国忠，等.高性能铌酸钾钠无铅压电陶瓷研制［J］.科学通报，2006，51（16）：1 955－1 957.。

Na/K比对(Na, K, Li)NbO3压电陶瓷的结构和电学性能的影响赵笑昆，张波萍，秦海霞，赵磊，朱立峰，李妍(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)摘要：采用传统烧结工艺，在 1 040 ℃下烧结 2 h 制备了(Na x K1-x)0.945Li0.055NbO3无铅压电陶瓷，研究了Na/K 比对陶瓷的相结构、微观形貌和电学性能的影响。

x=0.50~0.51 时样品呈正交相(O)，x=0.51~0.54 时样品由正交相(O)转变为正交相-四方相(O-T)共存。

介温谱显示O-T相转变温度随Na/K 比的增加由75 ℃降低至室温，所有样品的居里温度T C保持在460~470 ℃。

随Na 含量增加，晶粒尺寸呈减小趋势，剩余极化强度P r从13.6 µC/cm2减小到 6.2 µC/cm2，矫顽场E C基本保持不变。

由于O-T 相共存，d33和k p在x=0.53 处分别达到最高值263 pC/N 和0.387。

Li 掺杂明显减低O-T 相变温度，Li 掺量高于0.05 后改变Na/K 比可获得具有多形态相变特征的陶瓷样品，且Li 含量越高，可出现多形态相变的成分中Na/K 比越小。

关键词：压电陶瓷；铌酸盐；多形态相变；微观结构；电学性能；钠；钾中图分类号：TM282 文献标志码：AEffect of Na/K ratio on the microstructure and electricalproperties of (Na, K, Li)NbO3 ceramicsZhao Xiaokun, Zhang Boping, Qin Haixia, Zhao Lei, Zhu Lifeng, Li Yan (School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China)Abstract：(Na x K1-x)0.945Li0.055NbO3 piezoelectric ceramics were prepared by a normal sintering at 1040 ℃for 2 h. The phase structure, microstructure and electrical properties were investigated with aspecial emphasis on the effect of the Na/K ratio. The samples at x=0.50 0.51 showed an orthorhombic(O) symmetry, while a polymorphic phase transition (PPT) between orthorhombic and tetragonal (O-T)phases appeared in samples at x=0.52 0.54. The T O-T decreased from 75 ℃to room temperature byincreasing the Na/K ratio, while T C maintained at 460 470 ℃. Increasing Na content led to adecreasing trend in grain size and P r from 13 to 6 µC/cm2, while the E c maintained at 2 kV/mm.Sample x=0.053 showed excellent piezoelectric properties with d33=263 pC/N, k p=0.387 owing to thecoexisted O-T phases. It was found presently that a PPT was obtainable by modifying the Na/K ratiowhen fixing Li content at a level higher than 0.05, although the PPT was usually tailored by optimizingLi content. The composition of the ceramics with PPT characteristics showed a decreasing trend in theNa/K ratio when increasing Li content.Key words: piezoelectric ceramics; niobates; polymorphic phase transition; microstructure; electricproperties; sodium; potassiumPb(Zr, TiO)3 (PZT)基压电陶瓷的压电性能优异，已广泛应用于滤波器、换能器和驱动器等电子信息材料领域[1-2]。

KNN基无铅压电陶瓷的掺杂改性和微观机理研究KNN（KnNbO3）基无铅压电陶瓷是一种具有良好压电性能和生态友好性的材料，逐渐被广泛应用于传感器、催化剂、电声器件等领域。

为了进一步提高KNN材料的性能，研究人员进行了掺杂改性和微观机理研究。

掺杂改性是通过引入适量的外源性元素来改变KNN材料的结构和性能。

常见的掺杂元素包括钙、钡、锰等。

实验研究表明，适量的Ca掺杂可以显著提高KNN材料的压电性能。

Ca掺杂后，KNN材料的晶格常数增加，结晶度提高，同时晶粒尺寸减小。

这些结构调整导致了压电性能的提高。

另外，Ca的掺杂还可以改变KNN材料的介电性能和烧结性能。

锰掺杂是另一种常见的掺杂改性方法。

锰离子的掺杂不仅可以提高KNN材料的压电性能，还能够增强其介电性能。

锰的掺杂导致晶格发生畸变，使得压电性能得到了增强。

研究结果表明，适量的锰掺杂可以有效提高KNN材料的压电常数和介电常数。

此外，锰掺杂还可以改善KNN材料的电子传导性能，提高其导电性能。

除了掺杂改性，KNN材料的微观机理研究也是十分重要的。

研究人员通过X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，对KNN材料的微观结构进行了研究。

研究表明，KNN材料的压电性能与其晶格结构、晶体取向以及晶粒尺寸等因素密切相关。

晶体结构的畸变和孪晶的存在会降低KNN材料的压电性能。

此外，晶粒尺寸的增大也会导致压电性能的下降。

因此，微观结构的优化和晶粒尺寸的控制对于提高KNN材料的性能至关重要。

总结起来，KNN基无铅压电陶瓷的掺杂改性和微观机理研究是改善其性能的重要途径。

适量的掺杂可以优化KNN材料的结构，提高其压电性能和介电性能。

此外，通过研究KNN材料的微观结构和晶粒尺寸等因素，也可以为进一步优化材料性能提供基础。

未来的研究可以进一步深入探究掺杂对KNN材料性能的影响，并开发更多有效的掺杂改性方法，以满足材料在电子器件等应用中的需求。

KNN基无铅压电陶瓷的掺杂改性和微观机理探究引言压电陶瓷作为一种重要的功能材料，具有广泛的应用前景。

然而，传统的压电陶瓷（如PZT）存在环境污染、有毒物质释放等问题，因此进步无铅压电陶瓷成为当前探究的焦点。

钾钠镍酸钡（KNN）系列压电陶瓷因具有良好的压电性能和环境友好性而备受关注。

然而，KNN陶瓷的一些缺点，如低压敏性和高温稳定性差，限制了其进一步应用。

为了克服这些问题，掺杂改性成为提高KNN陶瓷性能的一种有效方法。

1. 掺杂改性的探究方法1.1 金属离子掺杂金属离子的掺杂是改善KNN陶瓷性能的常用方法之一。

铁离子（Fe）的掺杂可以提高KNN陶瓷的压电性能和烧结致密度。

探究发现，适量的Fe掺杂可以增加材料的饱和极化强度，提高压电系数和介电常数。

此外，其他金属离子，如铜离子（Cu）和锰离子（Mn）的掺杂也能够改善KNN陶瓷的性能。

1.2 离子混合掺杂离子混合掺杂是指在KNN陶瓷中引入多种金属离子，以调整材料的晶格结构和化学成分。

探究表明，Mg离子与Ni离子的混合掺杂可以显著提高KNN陶瓷的压电性能和稳定性。

这是因为Mg离子的引入可以改变KNN陶瓷的晶格结构，增强晶格的稳定性，从而提高材料的压电性能。

2. 掺杂改性对KNN陶瓷性能的影响2.1 压电性能的改善掺杂改性可以显著提高KNN陶瓷的压电性能。

探究表明，适量的金属离子掺杂可以提高KNN陶瓷的压电系数和饱和极化强度。

此外，离子混合掺杂还可以改变陶瓷的晶格结构，进一步提高材料的压电性能。

2.2 烧结致密度的提高KNN陶瓷的烧结致密度对其性能具有重要影响。

探究发现，金属离子的掺杂可以增进KNN陶瓷的致密烧结，提高材料的致密度。

这是因为金属离子的引入可以改变材料的晶界结构和形成助烧结剂，从而增强陶瓷颗粒间的结合力，提高材料的致密烧结。

3. KNN陶瓷掺杂改性的微观机理掺杂改性对KNN陶瓷性能的影响与其微观机理密切相关。

金属离子的掺杂可以改变KNN陶瓷的晶格结构和化学成分，从而影响陶瓷的压电性能和烧结致密度。

压电陶瓷作为一种功能陶瓷材料，可以实现机械能与电能之间相互转换，被广泛应用于传感器、电容器、换能器、滤波器等电子元器件，具有很大的应用价值和市场前景。

目前国内外学者研究较多的为Pb(Ti,Zr)O3（PZT）压电陶瓷，其综合性能较为优异，用途较广[1-2]。

随着经济的迅猛发展，人类对生活和环境的要求提高，铅基压电陶瓷产品在生产和使用过程中对环境造成了极大的污染，这与国家倡导的生态环境和可持续发展相悖，无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为社会经济发展的必然趋势，因此广大的国内外学者迫切需要寻找一种性能优异的无铅压电陶瓷。

BaTiO3基压电陶瓷是人类研究较早的一类无铅压电陶瓷，但是因其压电性能较低，未能广泛应用[3]。

2009年，任晓兵老师课题组研制出的(1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x (Ba0.7Ca0.3)TiO3(BCZT)压电陶瓷，其最优压电性能可达620pC/N[4]。

Ren等人认为BCZT压电陶瓷具有优异的压电性能与准同型相界有关，即在室温时三方相、四方相与立方相三者共存。

然而，低的居里温度（~100℃）严重限制了其使役温区。

KxNa1-x NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷具有优异的电性能、较高的Curie温度和适中的介电常数，被认为是最有前景的无铅压电陶瓷体系之一，但是其压电性能较低，d33约为146pC/N[5-7]。

如果将居里温度高的KNN组元引入BCZT体系，通过合理调控其掺杂量将会获得兼具优异电性能和高居里温度的无铅压电陶瓷[8]。

本文致力于结合两者的优点，以提升无铅压电陶瓷材料的居里温度和保证较好的压电性能的目的，以(1-x) (Ba0.85Ca0.15Zr0.08Ti0.92)-x(K0.5Na0.5NbO3-LiNbO3)（简称(1-x) BCZT-xKNNLN）为基础体系，研究不同BCZT和KNNLN 含量变化时（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5），压电陶瓷相结构、微观形貌和电学性能的影响，为BCZT-KNNLN压电陶瓷的进一步研究提供理参考依据。

KNN基无铅压电陶瓷的改性与机理研究的开题报告一、选题背景无铅锆钛酸铅压电陶瓷因其良好的电学性能和压电效应，在传感器、电子器件及振动控制等领域具有广泛应用。

然而，由于铅的生态毒性和环境污染问题，国际上已经开始逐步淘汰含铅电子产品，而无铅压电陶瓷被视为一种较为理想的替代材料。

其中，KNN基无铅压电陶瓷是一种具有广泛应用前景的电子材料，但其低温烧结难度大、压电性能稳定性差等问题制约了其性能的提升。

因此，开展KNN基无铅压电陶瓷的改性与机理研究，对于解决这些问题具有重要意义。

二、研究目的本研究旨在通过控制烧结方式、添加剂种类和添加量等手段，对KNN基无铅压电陶瓷进行改性，提高其压电性能和烧结难度，并深入探究改性机理。

三、研究方法（1）材料制备：采用常规固相法制备KNN基无铅压电陶瓷，并添加不同种类和不同量的掺杂剂。

（2）材料性能测试：对制备的陶瓷样品进行压电性能测试、物相结构分析、显微结构观察等性能测试和表征。

（3）机理探究：采用XRD、SEM、TEM等分析手段，对样品的微结构、成分组成进行分析，深入探究掺杂剂对于陶瓷性能和烧结难度的影响机理。

四、预期结果通过掺杂法对KNN基无铅压电陶瓷进行改性，预计可以有效提高其压电性能和烧结难度，为其在电子器件和振动控制领域的应用提供更广泛的选择。

同时，通过对掺杂机理的深入研究，也将为其他无铅压电材料的改性和优化提供一定的参考意义。

五、研究意义本研究对于推动无铅压电陶瓷的发展具有重要意义，同时也具有一定的理论指导意义。

通过深入探究掺杂剂对材料性能的影响机理，可以为材料改性和优化提供一定的思路和方向，为其在应用中发挥出更大的作用提供技术保障。

准同型相界附近PMN-PT陶瓷的介电与压电性能曹林洪;姚熹;徐卓【期刊名称】《材料热处理学报》【年(卷),期】2007(0)3【摘要】采用铌铁矿预产物合成法制备了组成在相界附近的(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3弛豫铁电陶瓷。

陶瓷样品X射线衍射相组成和相结构分析表明:所有陶瓷样品均为纯钙钛矿相,没有检测出其它杂相;而且组成在x=0.33 mol处存在一准同型相界(MPB),在该相界附近三方相和四方相共存,而远离该相界则分别为纯三方相和四方相。

在该相界附近组成具有优异的介电和压电性能:εm^38000,Ec^5kV/cm,Pr^31.5μC/cm2,d33~500pC/N,这主要是由于宏观上的三方和四方两相共存,或微观上的微畴和宏畴共存引起的。

【总页数】5页(P1-5)【关键词】铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)陶瓷;铌铁矿预产物合成法;准同型相界;介电与压电性能【作者】曹林洪;姚熹;徐卓【作者单位】西南科技大学先进建筑材料四川省重点实验室;西安交通大学电子材料研究所【正文语种】中文【中图分类】TM282【相关文献】1.掺杂对准同型相界附近PMN-PT陶瓷介电和铁电性能的影响 [J], 谈鸿恩;庄志强2.三元陶瓷Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3准同型相界附近组分的介电、铁电和压电性能 [J], 郭霖;乔显集;李修芝;龙西法;何超3.Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbTiO_3系统准同型相界附近的介电、热释电和压电性能 [J], 李振荣;张良莹;姚熹4.准同型相界附近PMN-PT陶瓷的介电性能 [J], 曹林洪;姚熹;徐卓5.PMN-PT系陶瓷准同型相界附近结构与介电性能研究 [J], 方菲;张孝文;桂治轮;李龙土因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

烧结保温时间对KNN-LS-BF-0.15%Cu压电陶瓷性能的影响翟霞;王华;许积文;赵霞妍;杨玲【期刊名称】《电工材料》【年(卷),期】2012()2【摘要】采用传统的陶瓷制备工艺,在1 060℃下分别保温2 h、4 h和6 h,制备了{0.996[0.95(Na0.5K0.5)-NbO3-0.05LiSbO3]-0.004FeBiO3}+0.15mol%CuO(简称KNN-LS-BF-0.15%Cu)压电陶瓷,研究了烧结保温时间对陶瓷性能的影响。

结果表明,过短的烧结保温时间并不能促成陶瓷晶粒的长成,但超过4 h后继续延长烧结保温时间对晶粒尺寸的影响不大;随着烧结保温时间的延长,KNN-LS-BF-0.15%Cu 陶瓷的压电常数d33、机电耦合系数kp和介电常数εr先升高后降低,而介电损耗tanδ和机械品质因数Qm则随之下降;当烧结保温时间为4 h时,样品具有最佳的综合性能:d33=185 pC/N,kp=0.28,εr=1054.25,tanδ=2.1%,Qm=53.39。

【总页数】4页(P42-45)【关键词】压电陶瓷;烧结保温时间;性能【作者】翟霞;王华;许积文;赵霞妍;杨玲【作者单位】桂林电子科技大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TM282【相关文献】1.微波烧结Fe-2Cu-0.6C合金的保温时间对组织与性能的影响 [J], 彭元东;易健宏;郭颖利;李丽娅;罗述东2.烧结温度对Cu优化LNKN无铅压电陶瓷结构和性能的影响 [J], 李海涛;张波萍;文九巴;李谦3.保温时间对低温陶瓷/Cu-Fe-Sn基结合剂磨具性能与结构的影响 [J], 李广锋;侯永改;高元;李文凤;黄庆飞;丁志静4.烧结保温时间对40Mo-ZrO2和40Mo-8YSZ金属陶瓷导电性能的影响 [J], 李建朝;齐素慈;唐磊5.烧结保温时间对堇青石多孔陶瓷性能的影响 [J], 袁旭暄;贾德昌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

NKN基无铅压电陶瓷的制备与性能研究的开题报告一、背景和研究意义无铅化已成为压电陶瓷材料领域的研究热点，主要是为了减少对环境的污染，满足环保需求。

目前，常用的无铅化压电陶瓷材料主要有BNT类（Bi0.5Na0.5TiO3）、KNNT 类（K0.5Na0.5NbO3）、BT类（BaTiO3）等。

然而，这些材料中仍存在一些问题，如高温极化难度大、热稳定性差等。

因此，有必要研究新型无铅化压电陶瓷材料。

NKN（Na0.5K0.5NbO3）是一种新兴的无铅化压电陶瓷材料，具有良好的压电性能、热稳定性以及较高的居里温度等优点。

因此，研究NKN基无铅压电陶瓷的制备和性能具有重要的理论和实际意义。

二、研究内容和方法（一）研究内容本研究将以NKN为基础，探究制备新型无铅压电陶瓷的方法，并分析其性能。

具体内容如下：1. 设计实验方案，制备NKN基无铅压电陶瓷。

2. 通过XRD、SEM、TEM等手段对材料的微观结构进行分析。

3. 测量材料的压电性能、介电特性、热稳定性等。

（二）研究方法1. 材料制备方面，主要采用实验室合成、烧结等传统工艺，同时结合新型制备方法，如溶胶-凝胶法、水热法等。

2. 材料性能测试方面，主要采用压电测试仪、介电测试仪、热重分析仪等常规测试设备。

3. 材料结构分析方面，主要采用XRD、SEM、TEM等常规测试手段，并结合原子力显微镜和扫描电子显微镜等高精度测试手段。

三、预期成果和意义本研究将探究新型NKN基无铅压电陶瓷的制备与性能，预计将达到以下成果：1. 成功制备NKN基无铅压电陶瓷。

2. 分析材料的微观结构及其对性能的影响。

3. 比较不同制备方法对材料性能的影响。

4. 深入探究材料的压电性能、介电特性、热稳定性等。

本研究将为无铅化压电陶瓷材料的发展提供新思路和新方法，促进新型压电材料的发展和应用。

同时，为钠钾铌酸盐类压电材料的开发提供实验基础和数据支持。