Co2O3摻雜對KNN基壓電陶瓷性能的影響

徐 芳

(江西科技學院理學教學部 江西 南昌 330098)

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Co2O3摻雜對KNN基壓電陶瓷性能的影響

徐 芳

(江西科技學院理學教學部 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位離子復合摻雜KNN陶瓷收到國內外研究者的追捧。但是，目前報道中，Li，Sb，Ta對A,B位共摻雜后，所得的壓電陶瓷一般在壓電常數在250pC/N2左右，這個水平的壓電系數仍然不能滿足其取代PZT用于日常生活及生產中。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內外研究人員的青睞。壓電陶瓷的性能可通過摻雜改性大幅度調節，以適應不同應用的需要。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，研究其相結構，微觀形貌，以及壓電介電性能的變化。

二、實驗

采用傳統固相法燒結工藝制備[(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3(KNLNST)+xmol%Co2O3(0≤x≤1.0)陶瓷樣品。本實驗中采用原料有：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(除去原料中的結晶)，各原料按計算配比稱量后混合，再加入無水乙醇進行研磨，研磨后烘干。然后進行預燒，條件為900 ℃、3.5h， 預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格約為Φ12mm×1.2mm圓片。成型后的坯體放入電爐中排膠， 最后進行燒結，燒結條件為胚體放入密封的剛玉坩堝內，在預燒粉末氣氛下進行燒結，溫度1110℃、4h。

對燒結后陶瓷樣品進行XRD物相分析(日本理學D/Max- 3c型X線儀)；掃描電子顯微鏡顯微結構分析(SEM，JEOL6301F，Tokyo，Japan)；采用中國科學院聲學研究所ZJ-3A型準靜態d33測量儀測壓電應變常數；并且使用HP4192A低頻阻抗分析儀測試樣品介電性能，諧振-反諧振法計算樣品機電耦合系數kp。

三、結果與討論

(一)KNLNST+xCo陶瓷相結構

圖1為KNLNST+xCo陶瓷的XRD圖譜，圖1(a)為20-60°范圍內圖譜可以得出所有KNLNST+xCo(0 ≤x≤ 1.0)陶瓷樣品均呈現單一的鈣鈦礦結構，無雜相產生。NLNST+xCo(0 ≤x≤ 1.0)材料為典型的正交相結構或與正交相居多的正交-四方相共存結構，而不同KNLNST+xNi(0 ≤x≤ 0.17)陶瓷，相結構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，用于測試SEM的樣品均為同一批次在1110 ℃、4h燒結條件下制備的陶瓷，經超聲清洗后測試表面形貌。從表面形貌來看，各個配方樣品晶粒均勻單一、生長良好、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，導致晶粒尺寸變大。

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陶瓷電學性能

四、結論

系統的研究了Co2O3摻雜對KNN基壓電陶瓷性能的影響，結果表明：

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

2.Co2O3摻雜有助于晶粒生長；

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徐芳(1990-)，女，工學碩士。