Co2O3摻雜對(duì)KNN基壓電陶瓷性能的影響

徐 芳

(江西科技學(xué)院理學(xué)教學(xué)部 江西 南昌 330098)

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Co2O3摻雜對(duì)KNN基壓電陶瓷性能的影響

徐 芳

(江西科技學(xué)院理學(xué)教學(xué)部 江西 南昌 330098)

Co2O3;KNN基壓電陶瓷;To-t

一、引言

自Y.Saito等人1報(bào)道了在KNN陶瓷中利用Li，Sb，Ta共摻雜可大大提高其壓電性能后，A、B位離子復(fù)合摻雜KNN陶瓷收到國(guó)內(nèi)外研究者的追捧。但是，目前報(bào)道中，Li，Sb，Ta對(duì)A,B位共摻雜后，所得的壓電陶瓷一般在壓電常數(shù)在250pC/N2左右，這個(gè)水平的壓電系數(shù)仍然不能滿足其取代PZT用于日常生活及生產(chǎn)中。目前，在KNN陶瓷改性研究中，金屬氧化物摻雜，A、B位離子取代等改性方法最收國(guó)內(nèi)外研究人員的青睞。壓電陶瓷的性能可通過摻雜改性大幅度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同應(yīng)用的需要。本工作在[(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3(KNLNST)基方中摻雜系列Co2O3摻雜，研究其相結(jié)構(gòu)，微觀形貌，以及壓電介電性能的變化。

二、實(shí)驗(yàn)

采用傳統(tǒng)固相法燒結(jié)工藝制備[(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3(KNLNST)+xmol%Co2O3(0≤x≤1.0)陶瓷樣品。本實(shí)驗(yàn)中采用原料有：碳酸鈉(Na2CO3，99.0%)、碳酸鉀(K2CO3)、碳酸鋰(Li2CO3)、五氧化二鈮(Nb2O5)、三氧化二銻(Sb2O3，99.9%)、三氧化二鈷(Co2O3，99.99%)。原料稱料之前均需在烘箱中烘烤 4h以上(除去原料中的結(jié)晶)，各原料按計(jì)算配比稱量后混合，再加入無水乙醇進(jìn)行研磨，研磨后烘干。然后進(jìn)行預(yù)燒，條件為900 ℃、3.5h， 預(yù)燒后的粉體再次球磨。烘干后加入PVA造粒，再通過干壓成型得到規(guī)格約為Φ12mm×1.2mm圓片。成型后的坯體放入電爐中排膠， 最后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)條件為胚體放入密封的剛玉坩堝內(nèi)，在預(yù)燒粉末氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，溫度1110℃、4h。

對(duì)燒結(jié)后陶瓷樣品進(jìn)行XRD物相分析(日本理學(xué)D/Max- 3c型X線儀)；掃描電子顯微鏡顯微結(jié)構(gòu)分析(SEM，JEOL6301F，Tokyo，Japan)；采用中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x測(cè)壓電應(yīng)變常數(shù)；并且使用HP4192A低頻阻抗分析儀測(cè)試樣品介電性能，諧振-反諧振法計(jì)算樣品機(jī)電耦合系數(shù)kp。

三、結(jié)果與討論

(一)KNLNST+xCo陶瓷相結(jié)構(gòu)

圖1為KNLNST+xCo陶瓷的XRD圖譜，圖1(a)為20-60°范圍內(nèi)圖譜可以得出所有KNLNST+xCo(0 ≤x≤ 1.0)陶瓷樣品均呈現(xiàn)單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，無雜相產(chǎn)生。NLNST+xCo(0 ≤x≤ 1.0)材料為典型的正交相結(jié)構(gòu)或與正交相居多的正交-四方相共存結(jié)構(gòu)，而不同KNLNST+xNi(0 ≤x≤ 0.17)陶瓷，相結(jié)構(gòu)隨著摻雜量的改變而改變。

圖1 KNLNST+ xCo陶瓷XRD圖譜

(二)KNLNST+xCo陶瓷表面形貌

圖2顯示的是KNLNST+xCo陶瓷材料的表面SEM照片，用于測(cè)試SEM的樣品均為同一批次在1110 ℃、4h燒結(jié)條件下制備的陶瓷，經(jīng)超聲清洗后測(cè)試表面形貌。從表面形貌來看，各個(gè)配方樣品晶粒均勻單一、生長(zhǎng)良好、無液相存在。并且晶粒尺寸增大，這說明Co2O3的摻雜有助于燒結(jié)，導(dǎo)致晶粒尺寸變大。

圖2 KNLNST+xCo陶瓷表面形貌

(a)x=0,(b)x=0.1,(c)x=0.4,(d)x=0.6,(e)x=1.0

圖3 KNLNST+xCo陶瓷壓電介電性能

(三)KNLNST+xCo陶瓷電學(xué)性能

四、結(jié)論

系統(tǒng)的研究了Co2O3摻雜對(duì)KNN基壓電陶瓷性能的影響，結(jié)果表明：

1.在KNLNST+xCo陶瓷中，當(dāng)Co2O3摻雜量在 0.055≤x≤0.070范圍內(nèi)，陶瓷均形成單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，無雜相生成；

2.Co2O3摻雜有助于晶粒生長(zhǎng)；

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徐芳(1990-)，女，工學(xué)碩士。