范周強 劉 彬 黃玲艷 艾韋明
(廣東蒙娜麗莎新型材料集團有限公司 廣東 佛山 528000)
壓電陶瓷是一類極為重要的功能材料,其已遍布于人們?nèi)粘I罴吧a(chǎn)的各個角落。目前全球大量使用的壓電陶瓷材料仍是傳統(tǒng)的含鉛壓電陶瓷,其中鉛元素含量高達60%以上。由于鉛的易揮發(fā)性,因而在生產(chǎn)、制備、使用及廢棄物處理中都會對環(huán)境造成極大的污染。隨著人們環(huán)保意識的日益增強,作為無鉛材料的堿金屬鈮酸鹽倍受壓電材料研究領域關注。筆者選取鈮酸鉀鈉陶瓷體系,通過摻雜Sr、Ti、Li元素,采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)方法制備了 (l-x)(K0.5Na0.5)Li0.04NbO3-xSrTiO3(KNN-STO)體系壓電陶瓷,同時系統(tǒng)地研究了這些摻雜離子對鈮酸鉀鈉陶瓷性能的影響規(guī)律。
本實驗使用的主要原材料有:碳酸鈉、無水碳酸鉀、無水碳酸鋰、五氧化二鈮、二氧化鈦、碳酸鍶等,均為化學純。
按配方稱取25 g原料,將其倒入球磨罐中,加入無水乙醇,以鋯球為磨質(zhì),球磨10 h,倒出烘干,過80目篩,將細料壓制成塊狀,在900 ℃下預燒3 h,待爐溫降低后將預燒的樣品取出用瑪瑙碾缽碾細過60目篩,再將粉料倒入球磨罐中,進行再次球磨、轉(zhuǎn)料、烘干、碾細過60目篩。將過篩后的細粉與濃度為5%的聚乙烯醇混合,過60目篩。稱取篩后的細粉干壓成形并在1 050~1 150 ℃下燒結(jié),保溫1.5 h,自然冷卻,取出。將燒制好的陶瓷片經(jīng)過磨片、超聲波清洗、被銀、燒銀(溫度為850 ℃,保溫15~20 min) 、極化,得到實驗樣品。本實驗所制備的陶瓷樣品成分為:(1-x)(K0.5Na0.5)0.96Li0.04NbO3-xSrTiO3(x=0,0.10,0.15,0.20,0.25)。
通過交叉試驗,得出KNN-STO(x=0.0,0.10,0.15,0.20,0.25)在1 050~1 150 ℃下可以得到較致密的陶瓷。表1為KNN-STO陶瓷的在合適燒結(jié)溫度下得到的陶瓷的密度。從表1可以看出,在1 050~1 150 ℃燒結(jié)溫度時,成瓷質(zhì)量較好,陶瓷的實際密度均高于理論密度值的97%,接近熱壓燒結(jié)工藝下得到的陶瓷密度,相對于常壓燒結(jié)得到的KNN陶瓷的實際密度提高了許多。這說明SrTiO3的加入有助于KNN陶瓷燒結(jié)性能的提高,還說明可以通過對KNN陶瓷的摻雜改性來改善陶瓷的燒結(jié)性能,得到致密的陶瓷。
表1 KNN-STO陶瓷燒結(jié)后的密度
圖1為摻雜不同量的SrTiO3的KNN-STO陶瓷燒結(jié)溫度的變化曲線。從圖1可以看出,當加入SrTiO3后KNN陶瓷的燒結(jié)溫度由原來的1 050 ℃迅速增加到1 150 ℃以上,同時隨著SrTiO3摻雜量的增加,陶瓷的燒結(jié)溫度逐漸提高,這是由于SrTiO3熔點高達1 910 ℃的緣故。在實驗過程中發(fā)現(xiàn),KNN基陶瓷相對于PZT系陶瓷的燒結(jié)溫區(qū)窄得多。在實驗過程中,筆者試圖研究不同燒結(jié)溫度對陶瓷性能的影響規(guī)律,但是很難得到。在陶瓷燒結(jié)致密度最好的溫度點附近,燒結(jié)溫度升高10 ℃左右,樣品就會翹曲,變形嚴重,呈色發(fā)白,產(chǎn)生過燒情況;在成瓷溫度附近,燒結(jié)溫度降低10 ℃左右樣品就會變得疏松,無法燒成優(yōu)質(zhì)的陶瓷。這是由于堿金屬鈮酸鹽本身特殊性質(zhì)所致。以上實驗證明KNN陶瓷不易燒結(jié)。
圖1 燒結(jié)溫度曲線
圖2是摻雜不同量SrTiO3的KNN-STO陶瓷樣品X射線衍射圖譜。從圖2可知,所合成的陶瓷均為純的鈣鈦礦相結(jié)構(gòu),沒有發(fā)現(xiàn)第二相。在室溫下KNN陶瓷為正交相結(jié)構(gòu),類似于KNbO3的相結(jié)構(gòu),而摻入的第二相SrTiO3相,其結(jié)構(gòu)為立方相。所以,當SrTiO3的含量依次從0.10增加到0.25時,可以清晰地看到,(200)、(210)晶面處由原來的兩個峰逐漸地合成為一個峰。該現(xiàn)象表明,隨著SrTiO3的加入,KNN陶瓷的相結(jié)構(gòu)由正交相向假立方相轉(zhuǎn)變。由此可知,KNN與SrTiO3形成了很好的固溶體。同時,隨著SrTiO3的加入,衍射峰向高角度偏移,說明晶格常數(shù)降低。
圖2 KNN-STO 陶瓷X 射線衍射圖譜
圖3是摻雜不同量SrTiO3的KNN-STO陶瓷表面的掃描電鏡照片,照片圖3(a)~(d)分別對應x=0.10,0.15,0.20,0.25。從圖3可以看出,陶瓷的晶粒發(fā)育較好,晶界清晰可見,表面較致密,氣孔很少,具有比較完整的外觀,平均粒徑大約為1 μm,晶粒形貌均為立方塊狀。
從圖3(a)可以看出,晶粒有2種粒徑分布,大晶粒的粒徑約為l μm以上,小晶粒的粒徑小于1 μm。隨著SrTiO3摻入量的增加,陶瓷的晶粒并沒有長大,反而有減小的趨勢,這說明SrTiO3的加入并不能促進晶粒的生長,這也是由于SrTiO3熔點高達1 910 ℃的緣故。同時從圖3(b)~(d)也可以發(fā)現(xiàn),陶瓷晶粒越來越均勻,其平均粒徑小于1 μm。
(a)x=0.10 (b)x=0.15 (c)x=0.20 (d)x=0.25
圖4為不同摻雜量的SrTiO3的KNN-STO陶瓷在燒結(jié)工藝中介電常數(shù)和頻率的關系。隨著摻雜量的增加,除了摻雜量x=0.25的試樣外,增大摻雜量,相對于純的鈮酸鉀鈉陶瓷來說,陶瓷的介電常數(shù)大大增加,這主要是由于Sr2+、Ti4+摻雜以后引起晶格畸變,材料的各項異性增加,容易極化,導致材料的介電常數(shù)增加。但是目前還無法解釋當x=0.25時介電常數(shù)突然降低的原因,還需要進一步的研究。
圖4 KNN-STO陶瓷的頻譜
圖5為不同摻雜量的SrTiO3,KNN-STO陶瓷在此燒結(jié)工藝中介電損耗和頻率的關系。材料的介電損耗隨著加入摻雜元素量的增加,降低很多,當x=0.20,0.25時,損耗降到了原來的50%以下。但是隨著頻率的增加,損耗逐步增大,當頻率達到106 Hz頻段時,損耗急劇增加。這是由于材料內(nèi)部偶極子轉(zhuǎn)動速度無法跟上外界電磁場頻率,而造成損耗增加。另一方面,介電損耗主要由漏電損耗和介質(zhì)本身的極化損耗組成,KNN-STO陶瓷主要的介電損耗是介質(zhì)本身的極化損耗。影響介質(zhì)介電損耗的因素有:燒結(jié)體致密度、晶粒形貌及氣孔、相結(jié)構(gòu)及組成等。當SrTiO3加入后,陶瓷的致密度增加,氣孔減少,因而陶瓷的損耗降低。
圖5 KNN-STO陶瓷介電損耗譜
圖6為不同摻雜量的KNN-STO陶瓷在1 MHz下的介電溫譜圖。從圖6可以看出,當KNN陶瓷加入SrTiO3后,陶瓷由原來的類似于BaTiO3正常鐵電體變?yōu)橐粋€弛豫型鐵電體。從圖6中的曲線可以看出,隨著SrTiO3摻入量的增加,介電常數(shù)出現(xiàn)峰值的溫度逐漸向低溫移動。由于實驗條件的限制,無法完整得到低溫下的介電溫譜。
圖6 不同量摻雜的KNN-STO 陶瓷在1 MHz介電溫譜圖
1)采用傳統(tǒng)陶瓷制備方法制備出(1-x)(K0.5
Na0.5)0.96Li0.04NbO3-xSrTiO3陶瓷,SrTiO3的摻入極大地改善了KNN壓電陶瓷的燒結(jié)性能,得到實際密度占理論密度的97%以上的致密陶瓷。
2)A位Sr離子和B位Ti離子的摻雜使KNN壓電陶瓷的物相結(jié)構(gòu)由原來的正交相轉(zhuǎn)變?yōu)榧倭⒎较啵S著SrTiO3的加入,陶瓷晶粒逐漸均勻細化。
3)SrTiO3的加入也使得壓電陶瓷的介電性能大幅提高,介電常數(shù)增加顯著,介電損耗降低,頻率穩(wěn)定性增強,并顯現(xiàn)出馳豫性鐵電體的特征,但是其壓電性能并沒有得到相應的改善。