陳宏

摘 要： 本文主要討論了鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的發(fā)展過(guò)程，研究了鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的特點(diǎn)及其目前的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞： NKN；壓電陶瓷；鈣鈦礦

【中圖分類號(hào)】 TQ174 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】 2236-1879（2018）14-0235-01

目前研究的無(wú)鉛壓電陶瓷的材料按結(jié)構(gòu)大致可分為以下幾類：鎢青銅結(jié)構(gòu)、含鉍層狀結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)等。無(wú)鉛壓電陶瓷屬于鈮酸鹽系的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

1.鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷的發(fā)展

堿性鈮酸鹽作為一種無(wú)鉛壓電材料目前備受關(guān)注，而對(duì)堿性鈮酸鹽的壓電性能的研究集中在了（K、Na）NbO3陶瓷的性能研究上。鈮酸鹽基壓電陶瓷的壓電性能雖不如PZT系陶瓷優(yōu)越，但它有較高的居里溫度，低的介電常數(shù)，較低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm值以及高的聲傳播速度，因此它應(yīng)用在高頻換能器方面，就顯得比PZT效果好，而得到廣泛應(yīng)用。

NaNbO3室溫下是類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的反鐵電體，存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相變，具有強(qiáng)電場(chǎng)誘發(fā)鐵電性，類似于PbZrO3。如果加以某種化學(xué)助劑改性，也可以使NaNbO3變成鐵電相，成為鐵電陶瓷。KNbO3陶瓷室溫下是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電體，其性能與PbTiO3相似。從晶體相變的情況看，KNbO3從高溫到低溫經(jīng)歷立方→四方轉(zhuǎn)變（435℃），四方→正交轉(zhuǎn)變（225℃），正交→三方轉(zhuǎn)變（-10℃）等相變。立方相是順電相，而其他三種都是鐵電相，居里溫度為435℃。KNbO3陶瓷的壓電活性較低（kp < 0.30），而對(duì)燒結(jié)工藝要求卻很嚴(yán)，所以不能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)和使用。如果在KNbO3中添加一定量的NaNbO3，使之形成KNbO3-NaNbO3二元系固溶體陶瓷，則在一定組成范圍內(nèi)，可以得到較低的介電常數(shù)和高的耦合系數(shù)，使得這種材料具有實(shí)用價(jià)值[1]。

2.鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷的特點(diǎn)

鈮酸鉀鈉二元系固溶體，化學(xué)式可寫成（Kl-xNax）NbO3。通過(guò)X射線衍射技術(shù)和反應(yīng)熱測(cè)量表明：NKN陶瓷的相變化非常復(fù)雜，這種固溶體Na與K的比例可以在任何范圍內(nèi)連續(xù)變化，晶格仍然是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同的鉀鈉比例，由于結(jié)構(gòu)不同，性能也不同。NKN陶瓷與純KNbO3或NaNbO3的性質(zhì)不同，類似于反鐵電體PbZrO3和鐵電體PbTiO3形成的固溶體。

然而，該體系陶瓷存在一個(gè)很大的缺陷：采用傳統(tǒng)的電子陶瓷制備工藝難以獲得致密性良好的陶瓷體，其主要原因是：NKN相穩(wěn)定性被限制在1140℃，大于此溫度，NKN將不能以固態(tài)形式存在，因此更高的溫度不能達(dá)到，這就阻礙了NKN陶瓷的致密化；另外，在燒結(jié)過(guò)程中Na2O和K2O的揮發(fā)，使化學(xué)計(jì)量比發(fā)生偏差，導(dǎo)致產(chǎn)生K4NbO7等雜相，該物質(zhì)容易潮解，這就極大地限制了此類材料的應(yīng)用。因此人們采用各種手段來(lái)解決之一問(wèn)題，如熱等靜壓法、冷等靜壓法和模板晶粒生長(zhǎng)法。

3.鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷的研究現(xiàn)狀

鈮酸鉀鈉陶瓷在普通大氣壓下燒成時(shí)，密度低，晶粒結(jié)構(gòu)有孔隙，性能不夠理想。因此，目前多采用熱壓工藝來(lái)制備NKN陶瓷。用熱壓工藝制備出來(lái)的NKN陶瓷密度已達(dá)到理論密度的99 %以上，顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出細(xì)而均勻的晶粒，致密度大大的提高，平面機(jī)電耦合系數(shù)由kp=0.29（非熱壓）增加到0.46，壓電常數(shù)d33也有所增高。采用熱壓或等靜壓工藝能夠雖然可以獲得致密的鈮酸鉀鈉陶瓷，材料的溫度穩(wěn)定性也得到較大的改善，但材料的穩(wěn)定性和性能的提高程度并不能令人十分滿意，更重要的是這些工藝是不適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，阻礙了無(wú)鉛壓電陶瓷的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

因此大部分研究還集中在有意義的傳統(tǒng)的電子陶瓷制備工藝方面。在鈮酸鉀鈉陶瓷體系中加入適量的添加助劑（如：ZnO、CuO、MnO2、CdO、SnO2、ScO、WO3、Y2O3、CeO2等）[2][3]；摻雜堿土或稀土金屬錳酸鹽LMnO3（L為Y、Er、Ho、Yb等稀土元素）[4]，采用傳統(tǒng)的電子陶瓷制備工藝也可以得到性能和穩(wěn)定性良好的陶瓷。此外，據(jù)報(bào)道，Li、Sb等元素的摻雜（如：NKN-LiNbO3[5]，NKN-LiSbO3[6]將NKN陶瓷的正交-四方相變溫度To-t移到了室溫附近，顯著提高了陶瓷的介電和壓電性能，其壓電系數(shù)d33可與硬性摻雜的PZT陶瓷相媲美。

4.研究展望

但是，到目前為止，NKN基陶瓷壓電性能相對(duì)于PZT基壓電陶瓷來(lái)說(shuō)，還存在較大差距，如何進(jìn)一步提高NKN系列陶瓷的燒結(jié)致密性；如何在燒結(jié)過(guò)程中減少K、Na離子的揮發(fā)；怎樣通過(guò)摻雜改性來(lái)進(jìn)一步提高NKN基陶瓷的壓電性能；如何設(shè)法將NKN陶瓷的正交-四方相變溫度To-t進(jìn)一步移至室溫甚至室溫以下，同時(shí)提高其居里溫度Tc等方面仍需進(jìn)行大量的研究工作。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陳 宏（1980——），女，陜西三原 碩士研究生，武警工程大學(xué)基礎(chǔ)部物理教研室講師。研究方向：電子功能陶瓷。