● 摘要
压电陶瓷是重要的功能材料，被广泛用于谐振器、滤波器、传感器等多种功能器件。然而，市场上占主导地位的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷含铅量超过70%，其生产和废弃处理过程中产生的铅污染会对人体和环境造成很大危害。为了保护环境和保证人类社会的可持续发展，人们一直在寻找可以替代PZT的无铅压电陶瓷。
碱金属铌酸盐是重要的无铅压电陶瓷体系，其中KNbO3-NaNbO3(简称KNN)基无铅压电陶瓷以其压电性较高、铁电性能较强、居里温度高等特点而被认为是有望替代铅基陶瓷的材料。但是由于KNN陶瓷的压电性能对制备条件具有极强的敏感性，采用传统固相法很难得到结构致密和性能稳定的KNN陶瓷。目前的研究表明，水热法制备陶瓷粉体具有合成温度低、粉体活性高等特点，有望降低陶瓷的烧结温度，提高陶瓷的致密度和性能。
本论文采用水热法和固相法分别合成了NaNbO3、KNbO3、(Na0.5K0.5)NbO3粉体，并制得相应的陶瓷。研究并对比了两种粉体的相结构、微观形貌以及相应陶瓷的电性能。
(1) 采用水热法成功合成了大小均一、颗粒细小、高活性的正交相NaNbO3陶瓷粉体，通过对合成温度、碱浓度及保温时间的研究，发现水热法合成NaNbO3粉体的过程中，起始NaOH浓度和反应温度是关键因素。水热合成NaNbO3粉体的最佳条件为：NaOH浓度为2.64 M， Nb2O5浓度为0.66 M，反应温度为200 ℃，反应时间为24 h。同时采用固相法制备NaNbO3陶瓷粉体，对比研究了两种制备方法对粉体的相结构、微观形貌等的影响。通过对两种样品的EDS能谱分析和FTIR对比分析，验证了两种方法制备的粉体具有相同的化学成分。从Raman光谱看出，水热法制备的粉体为具有正交相O3相结构的小颗粒粉体(＜1 mm)，而固相法制备的粉体是具有正交相O1相结构的更大些的颗粒。对比两种粉体制成陶瓷的相结构和电性能，研究表明：水热陶瓷的最佳烧结温度为1340 ℃，相对密度高达98.7%；而固相陶瓷的最佳烧结温度为1360 ℃，相对密度为94.1%。水热陶瓷的介电常数，压电常数，机电耦合系数和相转变温度都要大于固相陶瓷的性能参数，其值为：d33 = 41 pC/N，Kp = 0.30，
εm= 1565 (1 kHz)，Tc = 378 ℃。
(2) 采用水热法成功合成了KNbO3陶瓷粉体，研究了反应温度、起始KOH溶液浓度、反应时间对合成产物的影响规律，结果表明：KOH的浓度和反应温度是影响KNbO3粉体相结构和形貌的关键因素。当[Nb2O5] = 0.33 M，反应温度≥160 ℃，[OH-]≥7 M时，都可以合成纯相的KNbO3粉体。而且当KOH浓度为9 M，反应温度为180 ℃，反应时间为12 h，可以合成伪立方相的KNbO3。同时采用固相法制备了KNbO3陶瓷粉体，并采用两种粉体制成了陶瓷。水热陶瓷的最佳烧结温度为960 ℃，比固相陶瓷的烧结温度降低了30℃，陶瓷的烧结温区变宽，且两种陶瓷的相对密度基本相当。从介温图谱可以看出，水热陶瓷具有更高的介电常数，其值为11106，对应的从四方相到正交相的相变温度(居里温度)为424℃。????(3) 采用水NaNbO3、KNbO3粉体合成了K0.5Na0.5NbO3(KNN)粉体，同时采用固相法制备KNN粉体，用传统烧结法制成陶瓷。研究了两种陶瓷的相结构、微观形貌和介电、压电性能。结果表明：水热陶瓷的最佳烧结温度为1070 ℃，比固相陶瓷的烧结温度低60 ℃，说明水热粉体具有较高的烧结活性。水热陶瓷的最大相对密度为3.77 g/cm3，固相陶瓷的最大相对密度为4.01 g/cm3。两种陶瓷的电性能接近，水热陶瓷的电性能为d33=100 pC/N，εm= 4432，Tc= 415 ℃。固相陶瓷的电性能为d33= 96 pC/N，εm= 4929，Tc= 409 ℃。