鈦酸鉍鈉陶瓷固溶NaNbO3壓電性能研究

王 瑾 崔 巍 王 靜 宋姣姣

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109）

NaNbO3中介電常數(shù)成分較小，其電壓性能普遍較高等兼容特點，可氣缺存在燒結(jié)存在相對低的情況。在本次實驗中將存在鉛成分的鈮酸鹽融入進陶瓷中。經(jīng)試驗可得出，其成分較大的降低了陶瓷中鉛的比重量。并且對于環(huán)境污染的情況也大幅度的降低。根據(jù)鉛基陶瓷壓電材料的研究顯示，在鉛基陶瓷中固溶適當(dāng)比例的鈮酸鹽能夠提高其本身的一些性能。比如在PZT-xNN中，壓電的常數(shù)可以達到696pC/N。

ANbO?（A=Na）鈣鈦礦型化合物在實驗中能夠表現(xiàn)出很多特點，主要包括：居里溫度在實驗中較高，此外ANbO?（A=Na）鈣鈦礦型化合物的壓電性能較大。NaNbO3（鈮酸鈉）在常溫情況中以單斜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，具有反鐵電性質(zhì)，是一種較為常見的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物，其性能主要表現(xiàn)為 a=0.3914nm、b=0.3881nm、c=0.3914nm、居里溫度：640℃。此外，NaNbO3具有著較高程度的誘發(fā)鐵電性。

本文在二元系鈦酸鉍鈉陶瓷的基礎(chǔ)上固溶反鐵電體NaNbO3組成A和B雙位復(fù)合置換三元體系NKBT-NN，并加以系統(tǒng)的研究，分析出相結(jié)構(gòu)、準同型相界組成的特征以及壓鐵壓電的性能，尋求材料的組成來總結(jié)出材料對結(jié)構(gòu)以及性能的作用。

1 NKBT-NN的陶瓷結(jié)構(gòu)以及其電學(xué)性能分析

1.1 相組成及準同型相界特征的分析

通過NKBT-NN陶瓷在室溫下的XRD圖譜我們可以看出。在二元系NKBT陶瓷中固溶反鐵電相鈮酸鈉，所顯示的陶瓷樣品都是單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，沒有任何的雜相生成。而且在衍射峰在40°附近的時候表現(xiàn)為（003）/（021）雙峰，衍射峰在47°時則表現(xiàn)為（002）/（200）雙峰，所以可以得出在 x=0.04-0.16時，材料是處在準同型材料的相界處。

增加 NaNbO3的引入量之后，半徑較小的材料會逐漸被半徑較大的材料所替代，這樣就會導(dǎo)致晶胞體積變大、晶面間距變大以及衍射峰向角度更低的方向移動。NaNbO3的引入不能解決其原有的三方-四方共同存在的結(jié)構(gòu)，所以可以看出在三元系陶瓷中，在x=0.04-0.16的時候，材料會處于準同型相界。

1.2 顯微組織分析

陶瓷的表面上的晶粒一般都是規(guī)則的幾何形狀，而且樣品中的每個晶粒都十分細小，晶粒間的間隙也都十分恰當(dāng)，結(jié)合也相對較好，大小搭配均勻，致密度很高。但其中也存在這一些氣孔。隨著 NaNbO3在陶瓷中含量的增加，陶瓷表面的晶粒逐漸變大，但當(dāng) NaNbO3的含量繼續(xù)增大的時候，陶瓷表面的晶粒生長速度逐步放緩，通過這些可以看出NaNbO3的含量大小會影響到陶瓷表面晶粒的大小，且在NaNbO3的含量達到一定的數(shù)值時，陶瓷表面的晶粒尺寸會變得十分均勻，排列也會變得十分緊密。

1.3 介電性能分析

通過在頻率1-1000kHz，溫度100-600℃時的NKBT-NN介電溫譜曲線可以看出，材料會在120℃左右的時候出現(xiàn)第一個峰值即低溫反常峰，在300℃左右出現(xiàn)第二個峰值即高溫反常峰，這兩個峰值分別對應(yīng)了材料在頻率升溫過程中的鐵電-反鐵電相以及反鐵電-順電相的變化。而且可以發(fā)現(xiàn)相對的介電常數(shù)和材料的頻率兩者之間有著很大的依賴性，隨著材料頻率的增加，介電常數(shù)的峰值會有著很明顯的變寬跡象，會變成一個拓展的溫暖區(qū)域，而并非依舊是一個尖銳的峰，表現(xiàn)出彌散相變的特性。而且隨著材料的測試頻率不斷增加，高溫介電中的反常峰會逐漸的向低方向溫偏移，出現(xiàn)頻率色散的特性。

NaNbO3含量的繼續(xù)不斷增加，會導(dǎo)致高溫介電反常峰出現(xiàn)很明顯的壓峰現(xiàn)象，材料中的彌散性也會隨之加強。由于B位Nb5+的引入導(dǎo)致出現(xiàn)原材料的Ti4+進行不等取價，增加了B位的空位，導(dǎo)致鐵電體中的有序結(jié)構(gòu)被破壞，而且NaNbO3的含量增加導(dǎo)致A和B位的離子同時無序的增加，使得材料表現(xiàn)出很強的馳豫鐵電體特性。

2 NKBT-NN高溫電導(dǎo)特性的研究

通過觀察NKBT-NN陶瓷在1kHz時的電阻率以及電導(dǎo)率的變化可以看出，在溫度增高的同時，NKBT-NN材料在實驗中溫度會由于電阻率快速下降到最低值再次提高到500℃上下，而在上升后再開始出現(xiàn)下降。而材料的電導(dǎo)能力和自身的電阻率正好呈相反狀態(tài)。通過不斷提高NaNbO3的含量，材料晶格中的各個離子的不等價將會出現(xiàn)取代有氧空位的情況。當(dāng)材料通過高溫進行燒結(jié)之后，材料當(dāng)中相反電荷將由于庫侖力影響進行反應(yīng)，最終形成具有缺陷的偶極子。也是在氧空位和缺陷偶極子相互作用下，才導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率不斷變出現(xiàn)化。當(dāng)材料處于低溫情況下，如果溫度不斷增高，NN材料比例不斷上升，材料的氧空位濃度將進一步增加，而在激活能量不足的情況下，材料的電導(dǎo)率會出現(xiàn)快速增加的情況；在高溫區(qū)，隨著溫度的不斷增高，使得有氧空位濃度相對減少，所以電導(dǎo)率會不斷的下將。在更高的溫度時，隨著NN的引入量不斷加大，陽離子晶格上的晶體會沒有秩序的增強，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率飛速上升。

3 NKBT-NN鐵電、壓電性能研究

通過觀察NN含量不相同的情況下的NKBT-NN陶瓷電滯回線圖，可以得出在NaNbO3的引入量不斷增加的時候，會對電滯回線中帶有鐵電特征的回線產(chǎn)生有利的影響。且剩余材料的極化強度也會得到很大的提高；從中可以得出 NaNbO3的引入會對鈦酸鉍鈉剩余極化強度的提高起到十分關(guān)鍵的作用，使得材料的極化度增加。

NKBT-NN體系陶瓷的壓電常數(shù)由于受到不同含量的NaNbO3的影響，其機械品質(zhì)因數(shù)、壓電常數(shù)以及機電耦合系數(shù)都會發(fā)生變化，由此我們可以看出壓電常數(shù)以及機電耦合系數(shù)會隨著NaNbO3的引入量增加而逐漸減小，而機械品質(zhì)因數(shù)則恰恰相反。隨著 NaNbO3引入量的不斷增加，材料的晶粒尺寸增加，材料的剩余極化強度也會逐漸變大，極化變得更為容易，壓電性能也有著一定的提升，但是一旦NaNbO3的引入量過高，陶瓷的內(nèi)部會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使得晶體的生長速度放緩，晶體的尺寸也會逐漸變小，壓電性能逐漸降低，在兩種離子的作用下，材料的機電耦合系數(shù)以及壓電常數(shù)會先增加之后降低。

4 結(jié)論

本文主要是研究 NaNbO3引入對鈦酸鉍鈉材料在實驗中的壓電性能，在準同型相界構(gòu)成的鈦酸鉍鈉材料體系中進行常規(guī)的固相反應(yīng)實驗。在實驗中，堿金屬鈮酸鹽會在鈦酸鉍鈉中出現(xiàn)固溶反應(yīng)，而在實驗中堿金屬鈮酸鹽含量不斷增加，實驗材料的衍射峰值也出現(xiàn)了不同程度的偏移現(xiàn)象。

綜上所述，鈦酸鉍鈉材料的實用實驗是我國甚至國際相關(guān)組織機構(gòu)研究的重要項目之一，通過本文的實驗測試成果能夠分析出：在NKBT-NN材料體系當(dāng)中，由于同型相界出，因此其綜合性能表現(xiàn)的十分優(yōu)異，在實際應(yīng)用中具有機電耦合系數(shù)較高、機械品質(zhì)因數(shù)低等優(yōu)勢，所以在一些小功率超聲波接收設(shè)備以及驅(qū)動儀器的制造過程中具有很高的實用性。