陶瓷的掺杂改性与压电性能
第六章 压电陶瓷
随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来 越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和 开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。
第六章 压电陶瓷
二、压电效应 压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当 不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所 以其内部电场为零。 但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷 分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生 一个电场，这个电场就表现为压电效应。
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因
数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。 机械品质因数Qm的定义式是：
谐振时振子储存的机械 能
Qm 2 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
Qm
2fr R(C0
f
2 a
C1
)(
f
2 a
fr2 )
其中：
fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
第六章 压电陶瓷
d (pC/N) 33Fra bibliotek360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
0.44
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
Composition(x)
第六章 压电陶瓷
Q m
k p
1600
kp
0.60
Qm
1500
电容器陶瓷-低频(铁电)
长，a，b轴略有缩短，c/a ≈1.01。该温度
范围沿c轴出现自发极化呈现铁电性。
钛酸钡晶胞与自发极化图
四方相BaTiO3
四方相十分重要，因为它存在的温度区 间（0～120℃）正是材料的使用温度。
铁 电 陶 瓷
立方相转变为四方相 时，a、b轴收缩，c轴 伸长，使c轴的O2－和 Ti4＋发生位移，产生 极化，形成偶极子。
基本概念1. 铁电体
介电晶体在某温度范围内可以自发极化（介电常数很
高），而且极化强度可以随外电场反向而反向。同铁磁体具有
磁滞回线一样，把具有电滞回线的晶体称为铁电体。 虽然叫铁电体，但这些晶体并不含有铁。 铁电性(ferroelectricity)是指在一定温度范围内具有
自发极化，在外电场作用下,自发极化能重新取向,而且电位移
铁电陶瓷的特性决定了它的用途:
• 利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高 频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导 体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45µF/cm2。 • 利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可 以制作介质放大器和相移器等。 • 利用其热释电性，可以制作红外探测器等。 • 利用其压电性可制作各种压电器件。 • 此外，还有一种透明铁电陶瓷，其光学效应可用于 制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
钛离子处于氧八面体中，
两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37
钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
结果分析：
氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位 移的余地。
较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏 离中心的某一个位臵上固定下来，接近六个氧离子的 几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。
压电陶瓷
压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。
因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。
本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。
首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。
压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。
他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。
这被称为正压电效应。
而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。
接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。
压电陶瓷具有几个主要的特性。
首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。
这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。
其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。
它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。
此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。
这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。
压电陶瓷具有广泛的应用领域。
其中一个主要应用是在传感器领域。
压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。
这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。
另一个主要应用是在换能器领域。
压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。
这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。
此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。
总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。
压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。
它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。
希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。
压电陶瓷
在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同， 则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生了形变— —逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短； 若加上交变电场，则晶体产生振动。
Qm ,热稳定性好 抗老化性好
低衰减 硬性材料 频率稳定 软性材料
§ 7-1 压电陶瓷
由于一些性能往往是互相克制的，如Qm ↑ ，则KP ↓ ； ε↑则tgδ ↑ ；KP ↑则热稳定性↓，因此选用材料时应全面考虑， 适当折中。
三§元7系-1铅基压压电电陶陶瓷瓷
a、所谓三元系压电陶瓷，是在PZT的基础上再添加三元复合钙钛矿型物质(A,A’)(B,B’)O3 而组成的。在实际大多 数多元系压电陶瓷中，A位元素仍是铅，所改变的只是处 于八面体中的B位的元素。因此：在钙钛矿结构的三维八 面体网中，在相互固溶的情况下，八面体的中心将有四种 或更多电价不一定为4的元素（包括Zr和Ti）统计地均匀 分布，改变其元素种类与配料，就可调整、优选出一系列 具有特殊性能的压电陶瓷。
等 价 取 代
PZT的
改
性
分
为：异
价
取
软 性 代硬 性
取 取
代 代
改 改
性 性
其 它 取 代 改 性
§ 7-1 压电陶瓷
⑶ 常用PZT瓷料 压电陶瓷用途很多，不同场合对压电陶瓷性能要求不同。
接
收
型
水
声
换
能
器
：g33或g31大
，K
P
,
高效率、高灵敏度 软性材料
换 能 器
常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（脚标第 一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械 振动方向）。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31 、 d33和 d15 。
钛酸钡材料综述
钛酸钡材料综述1.引言钛酸钡铁电陶瓷是20世纪中叶发展起来的一种性能卓越的介电材料，即便其发展时间较短，但其具有卓越的压电性能、介电性能及热释电性等，使其一跃成为功能陶瓷领域内极为重要的组成部分，并且其作为电子陶瓷元器件的基础材料，推动了电子工业的发展。
近些年，全球电子工业发展迅速，其高性能、高精度、小型化的特点对主要原料提出了更高的要求，这无形中也对钛酸钡铁电陶瓷的发展也提出了较高要求[1]。
在实际生产中，要求钛酸钡铁电陶瓷粉体超细、超纯，并对主要原料掺杂改性技术方面不断完善。
2.钛酸钡铁电陶瓷的主要制备技术钛酸钡铁电陶瓷材料的常用制备方法有固相合成法、液相合成法两大类。
针对每个大类的合成方法下面还包含了诸多支路，其具体操作各具特色。
传统固相合成法是一种常用的合成方法，但是由于该方法年代久远，因此所制备的产物粉体纯净度较低，且回收颗粒物体积大、化学活性较差，所以当前工业上使用该方法生产钛酸钡粉效果较差。
尤其是在电子产业中，对元件性能要求高，需要可靠、固态化、多功能性、多层化等高要求的元件。
面对此趋势，经过改进后的液相合成法可以达到较好的效果，液相合成法包括凝胶法、化学沉淀法、水热合成法等。
由于这些方法合成温度要求低且其各组分是在分子水平合成的，所以该方法制备出来得纯钛酸钡粉产物具有结晶性好、组成均匀、粒径可控、无团聚、纯度极高等优势，可充分发挥元器件的电子性能。
以钛酸四丁酯Ti(OC4H9)4(98．0％)、硝酸钡Ba(N03)：(99．5％)和草酸H2C204(99．5％)为初始原料，在微波温度为80℃，微波时间为10 min，煅烧温度为700℃和煅烧时间为1 h的条件下制备一定量晶粒尺寸在30—50 nm的BaTiO，纳米粉放入研钵中，用浓度5％作为粘合剂的PVA溶液制造颗粒，再用80～120目的筛子对颗粒进行筛选。
每次称取0．35 g左右的样品放入模具中，在10 MPa 的压力下对粉体进行干压成型，最后对瓷坯进行排胶、烧结等后续处理。
掺Sr改性Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3无铅压电陶瓷的微观结构和性能研究
＝１ ７８ｐＣ／ ， Ｎ ＝ ３１ ， ｓ ３／ｏ ８５ ％ ３ｓ ＝ ０。
关 键 词 ：无 铅 压 电陶 瓷 ； 压 电性 能 ；介 电性 能 ：微 观 结 构 中图 法 分类 号 ：Ｔ ８ Ｍ２ ２ 文 献 标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ： ｌ０ 一８Ｘ（０ ７Ｓ —４ ６０ ０ ２ｌ５ ２ ０ ）１０ ５ —４
同型相 界 附近材 料 即 Ｂｉ５ ａ ｏ）５ ｉ３ 即 ｘ ０２ ） ０（ Ｌ Ｋ ．ｏＴＯ （ ．Ｎ ０ ２ ． ８ ＝ ．０
体 ，具 有铁 电性 强（ｒ３ ｔ／ｍ ，压 电常数较 大（ Ｐ＝ ８￣ ｃ ） Ｃ 版， 如３ ４ ％～ ０ 在 ０ ５ ％之 间） ，介 电常数 小 ，声学性 能好 等优
．
２ 实 验
用 分 析纯 的 Ｂ ２ ３ＮａＣ ３Ｋ２ Ｏ 、 ｉ ２ ＳＣ ３ ｉ 、 ２ Ｏ 、 Ｃ ３Ｔ Ｏ 和 ｒ Ｏ Ｏ
为 原 料 ， 照 化 学 ［ ｉ５ ｏＫ ．ｏ］ ｒ ｉ （ ０ ０１ 按 Ｂ ｏ（ ． ｏ）５１Ｓ￣ Ｏ３ ～ ．） ．Ｎａ ８ ２ ． ． Ｔ
进 行 了 掺 杂 改 性 研 究 ， 研 究 了 ｓ 掺 杂 对 ｒ Ｂ０（ Ｌ ．ｏＴＯ３ ｉ５ ０ ２ ． ｉ 陶瓷样 品的微观 结构 、压 电以及 ＿Ｎａ． ）５ ８
介 电性 能 的影 响 。
良特 性 ，且烧结温 度 较低 ，被认 为是最 具吸 引力 的无
铅压 电陶 瓷材料体 系之 一 。 单纯 的 ＢｏＮ Ｌ ＴＯ 陶 但 ｉ５ ａ， ｉ ３ ＿ ０ ５
NBT基无铅压电陶瓷的制备与电性能研究
论文题目：NBT基无铅压电陶瓷的制备与电性能研究专业：材料学硕士生：宋瑞雪(签名)指导教师：杜慧玲(签名)摘 要压电陶瓷是一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料。
传统的压电陶瓷在制备过程中存在着铅的挥发，不仅使陶瓷的化学计量比偏高，还会对环境造成污染。
Na1/2Ba1/2TiO3(简称NBT)具有很强的铁电性，是一种很有希望的无铅压电材料。
但纯NBT具有较高的矫顽场和电导率，极化十分困难，压电性能难于充分表现出来，通过掺杂取代可降低其矫顽场。
本论文以K+、Ba2+、Li+离子对NBT基陶瓷进行A位取代，采用固相合成法，制备出NBT基陶瓷样品，系统研究了材料的制备工艺、结构、介电性能和压电性能，分析了NBT基陶瓷的压电性能与组成、结构之间的相关性，并结合实验结果探讨了NBT基陶瓷的铁电本质及其对材料压电性能的影响。
XRD分析表明，随着K+、Ba2+、Li+离子取代量的增加，样品的晶体结构逐渐由三方相向四方相转变，在x=0.03时，材料体系存在三方、四方相共存的准同型相界。
SEM 分析表明，K+、Ba2+、Li+离子的掺入抑制了晶粒的长大，使晶粒的尺寸变小。
测试了各组成点样品的压电性能，结果表明，与PZT基含铅压电陶瓷相似，材料在准同型相界组成范围内压电性能最佳d33=150p C/N。
测试了样品的电滞回线，发现K+、Ba2+、Li+离子的掺入有效降低了NBT基陶瓷的剩余极化强度和矫顽场，样品的矫顽场降至E c=2.4kV/mm.研究了样品在不同频率下(0.1, 1, 10, 100kHz, 1MHz)，从室温到500℃的介电性能与温度的变化关系。
系列样品的介电温谱显示在所测温度范围内存在两个介电反常峰，分别对应于陶瓷材料的铁电-反铁电-顺电相变，同时发现该系列样品显示出弛豫铁电体特性，并用成分起伏理论解释了这种弛豫弥散相变。
研究了NBT基陶瓷的铁电性。
研究结果表明，NBT基陶瓷铁电性能与压电性能的变化规律存在明显的对应关系。
压电陶瓷的发展及其应用
压电陶瓷的发展及其应用简介压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能，压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。
随着材料工艺的不断研究和改良，以及电子、信息、航空航天等高科技领域日新月异的发展，作为含高智能新型材料的压电陶瓷的生产技术和应用开发是人们关注的热门课题。
压电陶瓷压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒。
由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的. 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质.发展历史1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。
1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。
1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。
第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。
压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性，随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。
压电陶瓷基本知识概要
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
(2)杂质的利用
1)杂质的类型 ①有害杂质 对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别
是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。 ②有利杂质 与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介质损耗tanδ
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导 等原因在电介质内所损耗的能量。
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电 压相位超前90 ° ，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流 超前的相位角ψ小于90 °，它的余角δ (δ+ψ=90 °)称 为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角 正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有 功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质 因数Qe（electrical quality factor）
整理的压电陶瓷基本介绍
压电陶瓷报告1.基本概念压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。
图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图所示。
图PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片1.1晶胞结构目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。
该类材料的化学通式为ABO3。
式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。
其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图所示。
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。
如下式及图6所示。
PbTiO3（PT ）：四方相 立方相BaTiO3（BT ）：三角相 正交相 四方相 立方相自发极化的产生以BT 材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。
（a ）立方相 （b ）四方相由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因490℃ 120℃ 5℃ -90℃Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c 轴的电极化。
这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。
1.2压电效应某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
其中，如果压力是一种高频震动，产生的就是高频电流。
如果将高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动）。
1.3压电陶瓷具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，发生正压电效应时，表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
当发生负压电效应时，形变的大小与电场强度成正比。
1.4压电作用机理压电效应首先是在水晶晶体上发现的，现在我们以水晶晶体为模型，说明产生压电效应的物理机理。
当不施以压力时，水晶晶体正、负电荷中心如上图分布，设这时正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，晶体表面不荷电（不呈压电性）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
陶瓷的掺杂改性与压电性能
【摘要】采用传统陶瓷制备技术制备了新型的
0.94K0.47Na0.47Li0.06NbO3-0.06Pb(Zr1-xTix)O3体系压电陶瓷，研究了该体系
陶瓷的微结构、压电性能及镧的改性。研究结果表明，在1165℃、4h的烧结条
件下，所有陶瓷样品均具有单一的钙钛矿结构，并在x为0.46时性能达到最佳，
其压电常数d33为126 pC/N，机电耦合系数kp为32%，机械品质因素Qm为116，
介电常数?着r为1274， 介质损耗tanδ为1.9%。
【关键词】压电陶瓷;掺杂;铌酸钾钠锂;锆钛酸铅
Piezoelectric Properties and Modification of
0.94K0.5Na0.47Li0.06NbO3-0.06Pb(ZrxTi1-x)O3Ceramics
CHEN Yun
(.Department of Chemistry and Material Engineering Hefei
UniversityHefei230022China)
【Abstract】A new-type 0.94K0.47Na0.47Li0.06NbO3-0.06Pb(Zr1-xTix)O3
piezoelectric ceramic were prepared by traditional ceramic sintering technique, and
their piezoelectric properties, microstructure and La modification were also studied.
These results of research indicate that this new type ceramics sintered at 1165℃ for 4
hours have not only a pure perovskite phase, and when x is 0.46, every properties
show the best, d33 is 126 pC/N, kp is 32%, εr is 1274, Qm is 116, and tanδ is 1.9%.
【Key words】Piezoelectric
ceramics;Modifying;K0.47Na0.47Li0.06NbO3;Pb(Zr1-xTix)O3
压电陶瓷的发现和发展距今已有50余年的历史，尤其是近20年来，压电陶
瓷和压电器件的原材料有了很大的发展。压电陶瓷在信息、航天、激光和生物等
诸多高新科技领域的应用甚广，这些应用主要是与这类材料具有稳定的化学特
性、优异的物理性能、易于制备成各种形状和具有任意极化方向的特性紧密相连
[1-3]。
然而，当前大规模使用的压电陶瓷仍然是传统的以PZT为基的多元系压电
陶瓷，且在电子学、微电子学等诸多高科技领域广泛应用的主力军，但这类陶瓷
中的PbO(或Pb3O4)的含量约占原材料总重量的70%，难以制备致密陶瓷，且凭
借当今的科技水平还不能使沉积在地表或游离于空气中的铅完全回收再利用，这
将使得在制备、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境带来严重危
害[4-6]。随着环保战略的加强，无铅压电陶瓷的研发近来取得了很大的成绩，出
现了很多具有实用前景的陶瓷体系，尤其铌酸盐系压电陶瓷更是受到当前各国科
研工作者的青睐。KNbO3-NaNbO3系压电陶瓷具有较好的铁电性，可在较宽组
成范围内形成完全固溶体，其结构仍为钙钛矿结构，是当前最有希望取代或改性
铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系[7-9]。但当前大部分无铅压电陶瓷与PZT基
压电陶瓷的性能还存在一定的差距，国内外学者一直尝试采用常压烧结、改性或
取代来改善铌酸盐系陶瓷的综合电学性能。
从近年来的研究进展可以看出，无铅压电陶瓷不可能马上替代铅基压电陶瓷
在电子元器件的原材料使用上的主导地位，只有逐渐改善才是更为务实。因此，
本论文根据ABO3钙钛矿型陶瓷的多元系复合原则，采用传统陶瓷制备技术和
电子陶瓷工业用原料，制备了0.94K0.47Na0.47Li0.06NbO3-0.06Pb(Zr1-xTix)O3
压电陶瓷，并研究了该体系压电陶瓷的介电压电性能、微结构及其掺杂改性。
１．实验
本着实用化的目的，采用传统的陶瓷制备工艺技术，以K2CO3、Na2CO3、
Li2CO3、Nb2O5、Pb3O4、ZrO2、TiO2为起始原料，根据
0.94K0.47Na0.47Li0.06NbO3-0.06Pb(Zr1-xTix)O3（简记为KNLN-PZT）陶瓷体系
的化学计量进行配料，其中x分别为0.40，0.46，0.85，0.95，并依次简记为PZT40，
PZT46，PZT85，PZT95。首先将原料混合物振动球磨48h，充分混合、粉碎后，
然后在860～900°C下，经3 h的预烧合成陶瓷粉体；合成后的陶瓷粉末充分研
磨并过60目分样筛后，加入适量的粘结剂，造粒得到流动性好的颗粒；在一定
压力下干压成型，获得厚度为1.0～1.5 mm、直径为 12.0 mm的生坯片；并在
1165°C下、烧结4h得到致密的陶瓷片。将清洗好的陶瓷片用真空溅射仪镀上银
电极，在硅油温度为80°C～100°C、极化直流电压为3.5 Kv/mm～4.5 Kv/mm的
条件下极化20～30 min，放置24h后，测试各项性能。用DX-1000型X-射线扫
描仪（丹东方圆仪器厂）分析陶瓷样品的晶体结构；用ZJ-3A准静态测量仪（中
国科学院声学研究所）测量d33；用LCR数字电桥（TH2816A）在常温下测得
1kHz时陶瓷样品的介电常数εr和介电损耗tanδ；采用HP4294A阻抗分析仪测
量陶瓷样品的谐振频率、反谐振频率、谐振阻抗和电容，然后计算出陶瓷的机械
品质因素Qm和机电耦合系数kp。
2.结果与讨论
2.1 KNLN-PZT陶瓷的XRD分析
图1从下至上分别是烧结温度为1165℃，烧结4 h所得
的KNLN-PZT陶瓷体系的所有样品的XRD分析图谱。从该图1中可以看出，
所有陶瓷样品都具有单一的钙钛矿型结构，没有杂相出现，合成了很好的单一固
溶体。尤其是在x=0.46时，衍射峰更加清晰，主晶相的含量更高，这也是在此
处获得良好的介电压电性能的重要原因。在x=0.85时，出现了少量杂峰，可能
是烧结后的降温过程中出现的偏析。图1还显示出，随Ti4+的含量的增加，衍
射峰向右偏移，晶面间距呈逐渐减小的趋势，这主要由于Zr4+离子半径大于Ti4+
离子半径，氧八面体中心离子使得晶格变大的影响。
2.2 KNLN-PZT陶瓷的压电性能
图2给出了KNLN-PZT系压电陶瓷的压电性能随Ti元素摩尔分数的变化规
律。图2(a)和(b)分别显示随着Ti4+的不断增大，其压电性能也随之增大，在Ti4+
含量为0.46（摩尔分数）时，压电性能达到最大，压电常数d33为126 pC/N，
机电耦合系数kp为32%，机械品质因数Qm为116；而当Ti元素含量继续增加
时，压电性能迅速减小。
2.3 KNLN-PZT陶瓷的介电性能
图3给出了KNLN-PZT系压电陶瓷1KHz频率下的介电性能随Ti元素的摩
尔分数x的变化规律。从图3可以看出，介电常数和介质损耗先随x的增加而增
大，然后再逐渐减小，并在x为0.46处出现峰值，二者达到最大，这主要由于
电导过程和驰豫过程引起的损耗最大，而且电畴的极化反转变得更为容易使得介
电常数也达到最大。