Co2O3掺杂对KNN基压电陶瓷性能的影响

徐 芳

(江西科技学院理学教学部 江西 南昌 330098)



Co2O3掺杂对KNN基压电陶瓷性能的影响

徐 芳

(江西科技学院理学教学部 江西 南昌 330098)

Co2O3;KNN基压电陶瓷;To-t

一、引言

自Y.Saito等人1报道了在KNN陶瓷中利用Li，Sb，Ta共掺杂可大大提高其压电性能后，A、B位离子复合掺杂KNN陶瓷收到国内外研究者的追捧。但是，目前报道中，Li，Sb，Ta对A,B位共掺杂后，所得的压电陶瓷一般在压电常数在250pC/N2左右，这个水平的压电系数仍然不能满足其取代PZT用于日常生活及生产中。目前，在KNN陶瓷改性研究中，金属氧化物掺杂，A、B位离子取代等改性方法最收国内外研究人员的青睐。压电陶瓷的性能可通过掺杂改性大幅度调节，以适应不同应用的需要。本工作在[(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3(KNLNST)基方中掺杂系列Co2O3掺杂，研究其相结构，微观形貌，以及压电介电性能的变化。

二、实验

采用传统固相法烧结工艺制备[(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3(KNLNST)+xmol%Co2O3(0≤x≤1.0)陶瓷样品。本实验中采用原料有：碳酸钠(Na2CO3，99.0%)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)、五氧化二铌(Nb2O5)、三氧化二锑(Sb2O3，99.9%)、三氧化二钴(Co2O3，99.99%)。原料称料之前均需在烘箱中烘烤 4h以上(除去原料中的结晶)，各原料按计算配比称量后混合，再加入无水乙醇进行研磨，研磨后烘干。然后进行预烧，条件为900 ℃、3.5h， 预烧后的粉体再次球磨。烘干后加入PVA造粒，再通过干压成型得到规格约为Φ12mm×1.2mm圆片。成型后的坯体放入电炉中排胶， 最后进行烧结，烧结条件为胚体放入密封的刚玉坩埚内，在预烧粉末气氛下进行烧结，温度1110℃、4h。

对烧结后陶瓷样品进行XRD物相分析(日本理学D/Max- 3c型X线仪)；扫描电子显微镜显微结构分析(SEM，JEOL6301F，Tokyo，Japan)；采用中国科学院声学研究所ZJ-3A型准静态d33测量仪测压电应变常数；并且使用HP4192A低频阻抗分析仪测试样品介电性能，谐振-反谐振法计算样品机电耦合系数kp。

三、结果与讨论

(一)KNLNST+xCo陶瓷相结构

图1为KNLNST+xCo陶瓷的XRD图谱，图1(a)为20-60°范围内图谱可以得出所有KNLNST+xCo(0 ≤x≤ 1.0)陶瓷样品均呈现单一的钙钛矿结构，无杂相产生。NLNST+xCo(0 ≤x≤ 1.0)材料为典型的正交相结构或与正交相居多的正交-四方相共存结构，而不同KNLNST+xNi(0 ≤x≤ 0.17)陶瓷，相结构随着掺杂量的改变而改变。

图1 KNLNST+ xCo陶瓷XRD图谱

(二)KNLNST+xCo陶瓷表面形貌

图2显示的是KNLNST+xCo陶瓷材料的表面SEM照片，用于测试SEM的样品均为同一批次在1110 ℃、4h烧结条件下制备的陶瓷，经超声清洗后测试表面形貌。从表面形貌来看，各个配方样品晶粒均匀单一、生长良好、无液相存在。并且晶粒尺寸增大，这说明Co2O3的掺杂有助于烧结，导致晶粒尺寸变大。

图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

图3 KNLNST+xCo陶瓷压电介电性能

(三)KNLNST+xCo陶瓷电学性能

四、结论

系统的研究了Co2O3掺杂对KNN基压电陶瓷性能的影响，结果表明：

1.在KNLNST+xCo陶瓷中，当Co2O3掺杂量在 0.055≤x≤0.070范围内，陶瓷均形成单一钙钛矿结构，无杂相生成；

2.Co2O3掺杂有助于晶粒生长；

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徐芳(1990-)，女，工学硕士。