《KNN基无铅压电陶瓷的研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《KNN基无铅压电陶瓷的研究进展.docx（10页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、KNN 基无铅压电陶瓷的争论进展吕会芹;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技术，以及在掺杂改性方面的争论进展，并展望了其进展趋势%KNN based lead-free piezoelectric ceramics have been one of the most important lead-free piezoelectric materials as they reveal excellent piezoelectric p
2、roperties 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
3、(卷),期】2023(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
4、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整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争论的热点24.其中铌酸钾钠基K，NaNbO3 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，NaNbO3简称 KNN的制备工艺性差，对烧结温度格外敏感，其烧成温度通常较窄，使用传统固相反响烧结技术得到的 KN
5、N， 其致密度很差5，6.争论觉察，承受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 基无铅压电陶瓷的争论，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争论进展.1 KNN 基无铅压电陶瓷的制备技术争论进展国内外学者对 KNN 基无铅压电陶瓷的制备技术、方法和工艺进展了乐观探究，从陶瓷的粉体制备、成型、烧结等方面开展争论，先后消灭了一些制备无铅压电陶瓷的技术方法.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SolG
6、el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，然后参与其它组分，在确定温度下经过水解和缩聚反响而渐渐凝胶化，再经枯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、成分简洁把握、工艺设备简洁等优点，因此很多学者对其进展了争论710.Zhang9等人争论觉察使用溶胶凝胶法可以显著降低 KNN 的烧结温度，到达 750.1.2 水热法水热法是指在特制的密闭反响器高压釜中，承受水溶液作为反响体系，通过将反响体系加热至临界温度或接近临界温度，
7、制造一个相对高温、高压的反响环境，进展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响的化学合成方法，而溶剂热法是将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒，承受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.Bai12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争论报道甚少，因此对水热法合成无铅压电陶瓷仍需要进一步的争论13.1.3 熔盐法熔盐法通常承受一种或数种低熔点的盐类作为反响介质，反响物在熔盐中有确定的溶解度，使得反响在原子级进展.反响完毕后，承受适宜的溶剂将盐类溶解，经过 滤洗涤
8、后即可得到合成产物 .由于低熔点盐作为反响介质，合成过程中有液相消灭， 反响物在其中有确定的溶解度，大大加快了离子的集中速率，使反响物在液相中实现原子尺度混合，反响就由固固反响转化为固液反响 .该法相对于常规固相法而言，具有工艺简洁、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，盐易分别，也可重复使用.Li15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tan0.026，d33230pC N，kp37%，Qm520，Tc397的 KNN 基压电陶瓷.1.4 其他制备技术其他的压电陶瓷制备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
9、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构造相的 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 58pCN.Satio2等承受 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K0.44Na0.52Li0.04Nb0.84Ta0.10Sb0.06陶瓷，且其局部压电性能d33416pCN与传统的 PZT 压电陶瓷相当.Li 等17承受放电等离子烧结技术，制备出了相对密度9
10、9%的 KNN 陶瓷，且具有相当好的铁电和压电性能d33148pCN，kp0.389，Tc395.2 KNN 基无铅压电陶瓷的掺杂改性争论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，这些工艺能耗大，本钱高，工艺简洁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 系列陶瓷是目前争论的主要方法.近年来，国内外学者从离子取代改性、添加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争论.2.1 离子取代改性2.1.1 A 位离子掺杂.KNN 钙钛矿构造中，Na、K占据 A 位，
11、B 位由 Nb5填充.Na0.5K0.5NbO3 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等利用固相反响法制备了Na0.52K0.48xLixNb0.86Ta0.10Sb0.04O3 系无铅压电陶瓷，争论了A 位 Li掺杂对 KNN 陶瓷性能的影响，争论觉察，Li含量的转变对其物相组成、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， 微观构造更严密，居里温度不断上升，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 时到达极大值.此外国内外也比较留意对 A
12、g掺杂的争论，对于 AgxNa0.5K0.51xNbO3 体系，Lei 等19争论结果说明：当 Ag掺杂量为 18%时，陶瓷性能到达最正确， 压电常数 d33 为 186pCN，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.Na0.5K0.5NbO3 陶瓷中 B 位的 Nb5可由 Ta5、Sb5等离子局部取代，Sb5或 Ta5的取代，可以降低介电损耗，提高陶瓷的压电性能.Matsubara20等人争论了 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 270
13、pCN，平面机电耦合系数 kp 为 0.44，介电常数 r 为 800，介电损耗 tan 为 0.01，机械品质因数 Qm 为 1 300 的陶瓷.此外 Lv Y G21等人利用固相反响法制备了K0.5Na0.5Nb1xTaxO3 系无铅压电陶瓷，并且当 x0.30 时，压电常数 d33 为 205pCN.2.1.3 A 位 B 位离子混合掺杂.KNN 基无铅压电陶瓷还可以承受 A 位和 B 位离子混合掺杂的方法来改性优化性能，假设 A 位离子掺杂 Li或 Ag，则 B 位离子可以是 Ta5或 Sb5，假设 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争
14、论的 Li、Sb 和 Ta 共掺杂Na0.52K0.48xNb0.95x Sb0.05O3xLiTaO3 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 x0.042 5 时，d33 高达 321pCN.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承受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，结果说明：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 134pCN、46%和 36
15、4.2.2 添加组元KNN 在室温下具有钙钛矿正交相构造24，假设参与具有其他构造的化合物， 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，而且还是由于在 MPB 处消灭了对称性更低的单斜或三斜相.因此在具有与 PZT 类似构造和一样特征的 KNN 陶瓷中引入的组元，以形成 MPB，可以到达提高 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争论主要是 KNNATiO3ASr、Ba，KNNLiBO3BSb、Ta.Yiping Guo 等人25争论了LiTaO3 参与 KNN 陶瓷中对其压电性能的影响，即1
16、xNa0.5K0.5 NbO3xLiTaO3 体系，争论觉察：在 x56mol%消灭了准同型相界，并且在MPB 四周压电系数 d33 到达 200pCN，平面机电耦合系数 kp 为 36%.在 KNN 陶瓷中参与 BaTiO3 可以觉察，随着 BaTiO3 的变化有准同型相界消灭，并且在准同型相界四周获得了致密性、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， 烧结助剂能转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，由于液相中集中传质阻力小，
17、流淌传质速度快，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削减 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参与过量过多，反而会引起阻碍烧结的作用，由于过多的烧结助剂会阻碍晶粒的直接接触，影响传质过程的进展，使其压电性能恶化27.因此承受传统固相法制备Na0.5K0.5NbO3 陶瓷时，必需选择适宜的烧结助剂，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Na
18、0.5K0.5NbO3 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Na0.5K0.5NbO3 陶瓷的Qm28.例如李香等29承受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，掺入确定量的 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Li0.06Na0.5K0.44NbO3 无铅压电陶瓷. 争论说明，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
19、性质，还可以有效地提高Li0.06Na0.5K0.44NbO3 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消灭了液相.除添加 CuO 和 ZnO 外，在体系中添加 0.0010.05 的稀土金属锰酸盐 LMnO3L 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.最近争论觉察了型烧结助剂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
20、压电性能，使其 d33 到达了 120pCN31. 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 261pCN，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 争论展望本文从 KNN 基陶瓷的制备技术、陶瓷改性等多方面，分析争论了提高 KNN 基陶瓷性能的方法，虽然近年来，KNN 基无铅压电陶瓷的争论和开发取得了长足的进步，在某些方面得到很多具有有用前景的K05Na0.5NbO3 基无铅压电陶瓷体系.但是，和铅基压电陶瓷相比，K0.5Na0.5NbO3 基无铅压电陶瓷还有很多缺乏之处，还
21、需做大量的争论和开发工作.主要是对K0.5Na0.5NbO3 基无铅压电陶瓷进展掺杂改性争论，改善陶瓷性能；其次是承受型合成制备方法，改善材料的活性.信任在不久的将来，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.Leadfree at lastJ.Nature，2023，432：2425.2 Saito Y ，Takao H ，Tani T ，et al.Lead free piezoceramics J.Nature，2023，432： 8487.3 Rodel J，Jo W，Seifert K T P，et al.Perspe
22、ctive on the Development of Lead free PiezoceramicsJ.J Am Ceram Soc，2023，926：1 1531 177.4 张燕杰，初瑞清，徐志军，等.BNT 基无铅压电陶瓷争论进展J.聊城大学学报：自然科学版，2023，234：6367.5 沈宗洋，李敬锋.Na，KNbO3 基无铅压电陶瓷的争论进展J.硅酸盐学报，2023， 383：510520.6 Hao J G，Xu Z J，Chu R Q，et al.Effects of MnO2on phase structure ， microstructure and electrical
23、 properties of K0.5Na0.50.94Li0.06NbO3leadfree ceramicsJ.Mater Chem Phys，2023，118：229233.7 王文文，姜全振，范宪勇，等.溶胶凝胶法制备 0.85PbMg13Nb23O30.15PbTiO3 铁电陶瓷及其性能争论J.聊城大学学报：自然科学版，2023，222：3639.8 Kang C，Park J H，Shen D，et al.Growth and characterization of K0.5Na0.5 NbO3thin films by a solgel methodJ.J SolGel Sci T
24、echnol，2023，58：8590.9 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 solgel methodJ.J SolGel Sci Technol 2023，57：3135.10 王超，侯育冬，吴宁宁，等.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，2023，301：7581.11 Dswson W J.Hydrothermal synthesi
25、s of advanced ceramic powders J.Ceram Bull， 1988，6710：1 6731 678.12 Bai L，Zhu K J，Qiu J H，et al.Synthesis ofK，NaNbO3particles by traditional hydrothermal method and hightemperature mixing method under hydrothermal solvothermal conditionsJ.Res Chem Int，2023，37：185193.13 郑凯，沈建兴，范战彪，等.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的争论进展J
26、.山东轻工业学院学报，2023，232：1329.14 李月明，王进松，廖润华，等.熔盐法制备铌酸钾钠粉体的争论 J.人工晶体学报，2023， 391：120124.15 Li J H，Sun Q C，et al.Characterization ofNa0.47K0.47Li0.06SbxNb1x O3ceramics prepared by molten salt synthesis method J.Solid State Commun，2023， 149：81584.16 郝继功，徐志军，初瑞清.柠檬酸法制备K12Na12NbO3 无铅压电陶瓷及其性能争论J.功能材料，202338：7
27、22723.17 Li J F，Wang K.Ferroelectric and piezoelectric properties of pine prainedNa0.5K0.5NbO3leadfree piezoelectric ceramics prepared by spark plasma sinteringJ.J Am Ceram Soc，2023，892：706709.18 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争论J.无机学报， 2023，223：465468.19 Lin C，Ye Z G.Leadfree piezoelectric ceramics
28、 derived from the K0.5Na0.5NbO3AgNbO3solid solution systemJ.Appl Phys Lett，2023，93：042 901.20 Matsubara M，Yamaguchi T，Kikuta K，et al.Synthesis and characterization ofK0.5Na0.5Nb0.7Ta0.3O3piezoelectric ceramics sintered with sintering aid K5.4Cu1.3Ta10O29J.Jap J Appl Phys，2023，449：6 6186 623.21 Lv Y
29、G，Wang C L，Zhang J L，et al.Tantalum influence on physical properties ofK0.5Na0.5Nb1xTaxO3ceramicsJ.Mater Res Bull，2023，44：284287.22 Fu J，Zuo R Z，Lv D Y.Structure and piezoelectric properties of lead freeNa0.52K0.442xNb0.952xSb0.05O3xLiTaO3ceramicsJ.J Mater Sci：Mater Electron，2023，213：241245.23 江民红，陈
30、何欣，刘心宇，等.BiFeO3K0.5Na0.5NbO3 无铅压电陶瓷的烧结工艺J. 硅酸盐学报，2023，383：363368.24 Shirane G，Newnham R，Pepinsky R.Dielectric Properties and Phase Transitions of NaNbO3andNa，KNbO3J.Phys Rev，1954，963：581588.25 Guo Y P，Kakimoto K，Ohsato H.Na0.5K0.5NbO3LiTaO3leadfree piezoelectric ceramicsJ.Mater Lett，2023，59：241244.2
31、6 Zuo R Z，Fang X S，Ye C.Phase structures and electrical properties of new lead free Na0.5K0.5NbO3Bi0.5Na0.5TiO3ceramicsJ.Appl Phys Lett，2023，90：092 904.27 Saito Y.Alkali MetalContaining NiobateBased Piezoelectric Material Composition and A Method for Producing the Same J.United States Patent，20236：3
32、87295.28 Park H Y，Choi J Y，Choi M K，et al.Effect of CuO on the sintering temperature and piezoelectric properties ofNa0.5K0.5NbO3 leadfree piezoelectric ceramicsJ.J Am Ceram Soc，2023，917：2 3742 377.29 李香，肖定全，吴浪，等.CuO 对 KNN 基无铅压电陶瓷构造和性能的影响J.功能材料， 2023，340：387389.30 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争论J.四川大学学报：自然科学版，2023，422：346348.31 Bernard J，Bencan A，Rojac T，et al.Lowtemperature sintering of K0.5Na0.5NbO3ceramicsJ.J Am Ceram Soc，2023，917：2 4092 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，2023， 5116：1 9551 957.