摘 要

KNN基陶瓷作为无铅压电陶瓷，不仅对环境友好，且具有优良的机电性能，是PZT陶瓷的优秀替代品，因此成为了无铅压电陶瓷研究的重点方向。对KNN基陶瓷的改性增强有调控化学成分和改善制备工艺两个途径。

本实验采用CaZrO₃改性增强(K_0.5Na_0.5)NbO₃基无铅陶瓷的机电性能，通过传统固相法制备了x=0.00 %、x=0.03 %、x=0.04 %、x=0.05 %、x=0.07 %五个组分的(1-x)KNNS-xCaZrO₃压电陶瓷。分析了不同组分陶瓷的晶粒形貌、尺寸，证明掺杂后的陶瓷体系仍然为单一的钙钛矿结构。得到了CZ含量对陶瓷压电性能、介电性能的影响关系，证明了CaZrO₃的掺入的确有效地改善了KNN基陶瓷的性能，并发现x=0.04 %的样品各项性能最佳，随后CZ含量的增加反而导致陶瓷的性能变差。

关键词：铌酸钾钠 无铅压电陶瓷 介电性能 压电性能

ABSTRACT

As a lead-free piezoelectric ceramic, KNN-based ceramics is not only environmentally friendly, but also has excellent electromechanical properties, making them an excellent substitute for PZT ceramics. Therefore, it has become the focus of research on lead-free piezoelectric ceramics. The modification of KNN-based ceramics has two ways of regulating chemical composition and improving the preparation process.

In this experiment, the electromechanical properties of (K_0.5Na_0.5)NbO₃-based lead-free ceramics modified by CaZrO₃ were used to prepare x=0.00 %, x=0.03 %, x=0.04 %, x=0.05 % and x=0.07 % by traditional solid phase method. Five-component (1-x)KNNS-xCaZrO₃ piezoelectric ceramic. By analyzing the grain morphology and size of ceramics with different composition ceramics, it is proved that the doped ceramic system is still a single perovskite structure. The relationship between CZ content and piezoelectric properties of ceramics was obtained, which proved that the incorporation of CaZrO₃ effectively improved the performance of KNN-based ceramics, and found that the samples with x=0.04 % had the best performance. After that, the increase in CZ content leads to a decrease in ceramic properties.

KEYWORDS: Potassium-sodium niobate; Lead-free piezoelectric ceramics; Dielectric properties; Piezoelectric properties

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 压电材料概况 2

1.2.1 压电材料的发展 2

1.2.2 压电效应 2

1.2.3 压电效应产生的机理 2

1.2.4 压电陶瓷的应用 3

1.3 无铅压电材料 3

1.3.1 压电材料的无铅化进程 3

1.3.2 无铅压电陶瓷的体系简介 3

1.4 KNN基无铅压电陶瓷 4

1.5 研究意义和研究内容 5

1.5.1 研究意义 5

1.5.2 研究内容 5

第二章 实验部分 6

2.1 实验原料及仪器设备 6

2.1.1 实验原料 6

2.1.2 实验仪器及检测设备 6

2.2 实验过程 7

2.2.1 实验工艺流程图 7

2.2.2 实验的具体步骤 7

2.3 性能表征与分析 8

2.3.1 X射线衍射分析 8

2.3.2 扫描电子显微镜分析 9

2.3.3 电性能测试 9

第三章 实验结果与讨论 10

3.1 CZ含量对KNNS-xCZ陶瓷显微结构的影响 10

3.1.1 CZ含量对KNNS-xCZ陶瓷相结构的影响 10

3.1.2 CZ含量对KNNS-xCZ陶瓷表观形貌的影响 11

3.2 CZ含量对KNNS-xCZ陶瓷电学性能的影响 11

3.2.1 CZ含量对KNNS-xCZ陶瓷铁电性能的影响 11

3.2.2 CZ含量对KNNS-xCZ陶瓷压电性能的影响 12

第四章 结论与展望 15

4.1 结论 15

4.2 展望 15

参考文献 17

致 谢 20

第一章 绪论

1.1 引言

压电材料是一种具有可以使电能与机械能相互转换的能力的特殊的功能材料^[1]。它的特点就是在受到力的作用时，受力的相对两个端面就会出现电压、或是在材料上面施加一定的电压会从而导致材料伸缩。因为这种特性，压电材料因此在传感器、驱动器等多种电子元器件中发挥着重要的作用，发展至今也经历了多个阶段^[1]。

自发现压电效应以来的一百多年里，压电陶瓷在电子、机械、通讯等多个领域都取得了相当大的成就。而在多种压电陶瓷中，锆钛酸铅(PZT)陶瓷因其具有耦合系数大、温度稳定性好、能通过掺杂来改变性能等优点受到广泛的应用^[2]。然而，铅元素具有毒性，易于堆积在人体中难以排出，堆积过多的铅元素就会导致人体铅中毒。且含铅陶瓷在烧结与使用过程中也会对环境及人类带来伤害。因此，为了保护我们的生存环境，有效地维持人类的可持续性发展，近年来全世界多个国家已经通过立法来限制含铅陶瓷的使用。压电陶瓷的无铅化成为了一个极其重要的发展方向。

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