保溫時間對鈮酸鉀鈉壓電陶瓷性能的影響

楊秀凡 劉令巍 楊榮燕 陸躍威 柳文章

(安順學院電子與信息工程學院，貴州 安順561000)

鋯鈦酸鉛(PZT)基陶瓷由于具有優異的壓電性能[1]近幾十年來一直被人們應用于傳感器、制動器和驅動器等器件領域。在生產和使用PZT陶瓷時，其中的鉛元素對環境和人體健康造成危害[2]。因此，尋找環境友好的壓電陶瓷材料成為人們研究的熱點[3-5]。在眾多的壓電陶瓷材料中，鈮酸鉀鈉((Na,K)NbO3，KNN)由于具有高居里溫度、較大壓電常數、環境無污染且價格低等優點備受人們的關注。材料的結構、制備工藝、元素摻雜等對KNN陶瓷的性能產生重要影響，國內外學者在這些方面展開了豐富的研究[6-10]。KNN燒結制備過程中，溫度控制較為關鍵。溫度較高會導致陶瓷樣品過燒，溫度過低則陶瓷晶粒發育不充分，陶瓷材料致密度差。保溫時間同樣影響晶粒發育，對KNN陶瓷的性能產生重要影響。本文采用固相燒結法制備了(Na,K)NbO3(KNN)陶瓷樣品，研究保溫時間對KNN陶瓷性能的影響。

1 實驗

實驗藥品為分析純K2CO3(99.9%)、Na2CO3(99.8%)、Nb2O5(99.9%)，按照K、Na、Nb元素化學計量摩爾比1∶1∶2進行稱量。將稱量好的藥品分別放入燒杯中，將盛有藥品的燒杯放進電熱鼓風干燥箱在80℃下干燥4h。除去水分后，以無水乙醇為介質將以上藥品放入星型球磨機中球磨12h。將球磨后的粉料倒入瑪瑙研磨罐內進行細磨，細磨后將粉體倒入60目的篩子上進行過篩，最后得到細致的粉體。將粉體加入3%的PVA粘合劑，在粉末壓片機上以7Mpa壓制成直徑10mm，厚度2mm的樣品。將樣品在700℃下排膠2h后進行燒結，燒結溫度為1100℃。保溫時間分別設置為1～4h，升溫速率為3℃/min。

采用VEGA3SBU掃描電鏡對燒結后KNN樣品進行表面形貌觀測，采用CH-50霍爾效應測試系統測量樣品的載流子濃度、載流子遷移率、霍爾電壓，給定電流強度為2mA、磁場強度為100mT，采用紫外可見分光光度計測試樣品吸光度。

2 結果與討論

2.1 不同保溫時間樣品表面形貌

圖1為KNN樣品SEM照片。圖1(a)為保溫時間2h樣品SEM照片，由圖可見晶粒分布不均勻、孔隙較多，致密度差，平均晶粒尺寸為1μm。圖1(b)為保溫時間2.5h時樣品SEM照片，由圖可以看到晶粒大小分布較為均勻，孔隙減少，致密度變好，晶粒平均尺寸為2μm。圖1(c)為保溫時間3h樣品SEM照片，由圖可以看到規則方形晶粒減少，致密度變差。這可能是由于長時間保溫導致K、Na元素在燒結爐中揮發，晶格受到破壞所致[9]。圖1(d)為保溫時間3.5h時樣品SEM照片，由圖可以看到KNN晶粒變小，白色箭頭的部分區域晶粒呈島狀生長。這可能是由于隨保溫時間的增加，K、Na元素的揮發加強，離子的擴散作用增強，在自由能低的區域沉積生長所致。隨保溫時間的增加，KNN晶粒間發生固溶強化，晶粒逐漸長大，樣品表面孔隙逐漸減少，致密度變好，當保溫時間超過2.5h后，由于K、Na元素易揮發，晶粒規則性破壞，晶粒在原來的生長平面上成島狀生長。

圖1 不同保溫時間KNN樣品表面形貌

2.2 不同保溫時間KNN樣品載流子濃度

由圖2可知，KNN陶瓷的載流子濃度隨著保溫時間增加，載流子濃度逐漸降低并在保溫時間為2.5h時達到波谷2.3×107/cm3，隨后呈上升趨勢。隨保溫時間增加，KNN晶粒逐漸均勻，孔隙減少，致密度變好，結晶質量變好，K、Na等元素進入晶格，不利于產生自由移動的載流子，因此載流子濃度隨保溫時間呈降低趨勢。當保溫時間大于2.5h后，K、Na元素的揮發增強，規則的晶粒減少，樣品結晶質量變差，樣品結構有利于產生載流子，因此載流子濃度升高。KNN壓電陶瓷材料本質上屬于介質材料，載流子主要為自由移動的粒子。當樣樣品結晶質量好時K、Na元素進入KNN晶格，陶瓷樣品懸掛鍵減少，不利于產生載流子。當K、Na元素揮發較多時，由于晶格畸變產生大量懸掛鍵，有利于產生載流子。

圖2 不同保溫時間KNN樣品載流子濃度

2.3 不同保溫時間KNN樣品載流子遷移率 圖3為不同保溫時間KNN樣品載流子遷移率，由圖可知隨著保溫時間增加，載流子遷移率逐漸增強，當保溫時間為2.5h時載流子遷移率達到峰值為30.2cm2/v.s，隨后呈下降趨勢。隨保溫時間的增加，KNN陶瓷孔隙減少，致密度變好，晶格對載流子的散射作用減小，KNN體系內有利于載流子的遷移，因此載流子遷移率增大。當保溫時間超過2.5h后規則晶粒減少，K、Na元素揮發增強，結晶質量變差，晶格對載流子的散射作用增強，因此載流子遷移率呈下降趨勢。

圖3 不同保溫時間KNN樣品載流子遷移率

2.4 不同保溫時間KNN樣品霍爾電壓

圖4為不同保溫時間KNN樣品霍爾電壓。可以看到隨保溫時間的增加，KNN樣品霍爾電壓呈增大趨勢，在保溫時間為2.5h時霍爾電壓達到峰值為24.8mv。本實驗制備的KNN樣品未摻雜，因此極化電荷成為霍爾電壓的主要貢獻。保溫時間為2.5h時，KNN樣品的晶粒均勻、晶體學缺陷少、致密度好，樣品結構有利于電荷極化，因此霍爾電壓隨保溫時間呈增加趨勢。保溫時間大于2.5h后，K、Na元素揮發增強，部分晶粒呈島狀生長，此時樣品結構不利于電荷極化，所以霍爾電壓隨保溫時間呈下降趨勢。

圖4 不同保溫時間KNN樣品霍爾電壓

2.5 不同保溫時間KNN樣品吸光度

由圖5可以看出，隨保溫時間的增加，KNN樣品吸光度逐漸增大，在保溫時間為2.5h時吸光度達到峰值為4.78A。此時樣品晶粒更均勻，致密度好，結晶學缺陷少，KNN樣品對光的散射作用減弱，此時的結構有利于光的吸收，在此保溫時間下樣品對光的吸收較好。繼續增加保溫時間，晶粒異常長大，此時結構不利于光吸收，使得光吸收度減小。材料對光吸收具有選擇性，保溫時間過延長時K、Na揮發較多，破壞KNN晶體能帶，使得KNN陶瓷材料對光吸收度減少。

圖5 同保溫時間KNN樣品吸光度

3 結論

采用固相燒結法制備了(Na,K)NbO3(KNN)陶瓷材料，研究保溫時間對KNN壓電陶瓷性能的影響。當保溫時間為2.5h時所制備的KNN壓電陶瓷晶粒最為均勻，結晶質量好。當保溫時間增加后KNN樣品規則性晶粒減少，結晶質量變差。KNN陶瓷載流子濃度隨保溫時間增加呈現出先降低后增加的趨勢，載流子遷移率隨保溫時間呈現出先增加后降低的趨勢，保溫時間為2.5h時載流子遷移率最高為30.2cm2/v.s，霍爾電壓隨保溫時間呈現出先增加后降低的趨勢，霍爾電壓最大值為24.8mv，保溫時間為2.5h時KNN對光的吸收較好為4.83A。