准同型相界内KNN-LS-BF无铅压电陶瓷的烧结与压电性能

准同型相界内KNN-LS-BF无铅压电陶瓷的烧结与压电性能江民红;刘心宇;陈国华;龚晓斌;周昌荣

【摘要】0.956K0.5Na0.5NbO3-0.004BiFeO3-0.04LiSbO3(0.956KNN-

0.004BF-0.04LS) ceramics among the morpho-tropic phase boundary (MPB) composition were prepared by traditional ceramic processing. The effects of sintering temperature on the microstructure, piezoelectric, dielectric properties and phase transformation temperature of ceramics were investigated. The results show that the structure of all samples is a single perovsltite structure, and also show the coexistence of little orthorhombic and main tetragonal phases, especially when the sintering temperature is below 1 100 'C. The suitable increasing of sintering temperature promotes the densification of ceramics. With the increase of the sintering temperature, the piezoelectric properties of ceramics first increase evidently and then decrease while the dielectric loss first decreases and then increases. The sintering temperature has a little effect on θ0-t and θc, When sintered at 1 100 ℃, 0.956KNN-0.004BF-0.04LS ceramics have good electric properties: d33= 297 pC/N, kp=54%, θC=355 ℃, tan δ=2.6%, which indicates that the ceramics have a promising application in many fields.%采用传统的陶瓷工艺制备成分处于准同型相界(MPB)内的无铅压电陶瓷0.956K0.5Na0.5NbO3-0.004BiFeO3-0.04LiSbO3(0.956KNN-0.004BF-0.04LS),研究烧结温度对陶瓷的结构与压电、介电性能和相变温度的影响.研究结果表明:所有样品均为单一的钙钛矿结构；在1100℃以下烧结的样品的相结构均呈现明显的正交相与四方相共存的特征,同时略偏向四方相区;适当的烧结温度的提高,能促进陶

瓷的致密化；随着烧结温度的升高,陶瓷的压电性能先显著提高后降低,陶瓷的介电

损耗先降低后提高,但对正交相与四方相转变温度(θ0-1)和居里温度(θc)的影响比较小；当烧结温度为1100℃时,陶瓷具有最好的压电与介电性能,其压电常数(d33)高达297 pC/N,机电耦合系数(kp)高达54％,居里温度为355℃,tanδ为2.6％,这表

明0.956KNN-0.004BF-0.04LS无铅压电陶瓷具有广阔的应用前景.

【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(043)004

【总页数】5页(P1290-1294)

【关键词】无铅压电陶瓷;K0.5Na0.5NbO3;烧结温度;压电性能

【作者】江民红;刘心宇;陈国华;龚晓斌;周昌荣

【作者单位】桂林电子科技大学广西信息材料重点实验室,广西桂林,541004;中南

大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;桂林电子科技大学广西信息材料重点

实验室,广西桂林,541004;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;桂林电

子科技大学广西信息材料重点实验室,广西桂林,541004;桂林电子科技大学广西信

息材料重点实验室,广西桂林,541004;桂林电子科技大学广西信息材料重点实验室,

广西桂林,541004

【正文语种】中文

【中图分类】TM282

与铅基PbZrO3-PbTiO3(PZT)压电陶瓷一样，无铅的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3，KNN)基压电陶瓷也是由反铁电体与铁电体组成。Egerton等[1−2]研究了采用传

统陶瓷工艺制备的 KNN的压电性能，研究结果表明：当K与Na的摩尔比为1:1时，该体系压电陶瓷的机电耦合系数(kp)达到最佳值，约为0.36，同时其压电常

数(d33)也同时达到最高值，为80 pC/N。1971年，Jaffe在前人的研究基础上归纳分析了关于KNN陶瓷的压电性能和结构的研究结果，认为：当K与Na的摩尔比为1:1时KNN的压电性能最佳在这一区域中2种正交结构的共存，同时，也把这种同时具有2种不同结构的区域命名为准同型相界(MPB)[3]。

已有实验研究结果表明：通过掺入LiSbO3(LS)[4]，BiFeO3(BF)[5]，ZnO[6]，SrTiO3[7−8]，BaTiO3[9]，LiNbO3[10]和 LiTaO3[11]等可以明显地提高 KNN

的压电性能。Jiang等[12]对(0.996−y)KNN-0.004BF-yLS陶瓷体系进行系统研究，并确定其MPB成分范围(0.02≤y≤0.04)。需要指明的是，文献[12]中的MPB是指正交相与四方相的共存区域，有别于前面提到的KNN中2种正交相的共存区。通常认为，压电陶瓷在 MPB内的压电性能将达到峰值。但研究表明：在当前的烧工艺条件下该体系陶瓷的压电性能的最佳值并没出现在 MPB成分范围内，而是出现在四方相区(即y=0.05处)。事实上，准同型相界的出现与陶瓷致密度的改善对陶

瓷的压电性能的促进作用几乎同等重要。对于组成确定的压电材料，烧结温度的最优化则是材料致密度提高的关键因素。文献[4，8]的研究表明：在准同型相界成分范围内，陶瓷的最佳性能可能出现在准同型相界内且邻近四方相的成分一侧。为了验证上述分析并进一步提高陶瓷的压电性能，本文作者选择成分处于MPB内的

0.956KNN-0.004BF-0.04LS陶瓷为研究对象，研究烧结温度对该体系陶瓷的显微结构、压电与介电性能的影响，以便为该体系陶瓷的进一步研究和应用提供理论与实验依据。

1 实验方法

采用 Na2CO3(99.8%，质量分数，下同)，K2CO3(99%)，Nb2O5 (99.5%)，

Li2CO3(99%)，Sb2O3(99.5%)，Bi2O3 (99.97%)和Fe2O3(≥99.5%)为原料，以