ArticlePDF Available

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ GỐM (K0.5Na0.5)NbO3

Authors:

Abstract

Hệ gốm K0,5Na0,5NbO3 (KNN) được chế tạo thành công bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến tính chất điện môi và áp điện của hệ gốm KNN đã được nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm cho thấy mật độ gốm biến thiên khi tăng nhiệt độ thiêu kết và đạt giá trị cao nhất là 4,2 g/cm3 khi thiêu kết tại 1090 °C, tương ứng với sự hình thành các hạt gốm có dạng tứ giác phân bố khá đồng đều. Tại nhiệt độ thiêu kết 1090 °C, gốm có hệ số liên kết điện cơ theo phương bán kính (kp) và hệ số áp điện (d33) đạt giá trị cao nhất, lần lượt là 0,22 và 61 pC/N, ứng với kích thước các hạt gốm khá đồng đều.
Tạp chí Khoa học Đại hc Huế: Khoa hc T nhiên
Tp 129, S 1A, 125130, 2020
pISSN 1859-1388
eISSN 2615-9678
DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5663
125
ẢNH HƯỞNG CA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT ĐN MT S TÍNH
CHT VẬT LÝ CỦA H GM (K0,5Na0,5)NbO3
Dng Th Hoài Trang, Hoàng Ngọc An, Lê Thị Liên Phương, Lê Trần Uyên Tú*, Võ Thanh Tùng
Khoa Vt lý, Trường Đại hc Khoa học, Đại hc Huế, 77 Nguyn Hu, Huế, Vit Nam
* Tác giả liên hệ Lê Trần Uyên Tú <tuletranuyen@hueuni.edu.vn>
(Ngày nhận bài: 19-02-2020; Ngày chấp nhận đăng: 16-03-2020)
Tóm tắt. H gm K0,5Na0,5NbO3 (KNN) được chế tạo thành công bằng phương pháp phn ng pha rn.
Ảnh hưởng ca nhiệt độ thiêu kết đến tính chất điện môi và áp điện ca h gốm KNN đã được nghiên
cu. Kết qu thc nghim cho thy mật độ gm biến thiên khi tăng nhiệt độ thiêu kết và đạt giá trị cao
nhất là 4,2 g/cm3 khi thiêu kết tại 1090 °C, tương ứng vi s hình thành các hạt gốm có dạng t giác phân
b khá đồng đều. Ti nhiệt độ thiêu kết 1090 °C, gốm có hệ s liên kết điện cơ theo phương bán kính (kp)
và hệ s áp điện (d33) đạt giá trị cao nht, lần lượt là 0,22 và 61 pC/N, ứng với kích thước các hạt gốm khá
đồng đều.
T khóa: gốm không chì, KNN, nhiệt độ thiêu kết
Effects of sintering temperature on physical properties
of (K0.5Na0.5)NbO3 ceramics
Dung Thi Hoai Trang, Hoang Ngoc An, Le Thi Lien Phuong, Le Tran Uyen Tu*, Vo Thanh Tung
Physics Department, University of Sciences, Hue University, 77 Nguyen Hue St., Hue, Vietnam
* Correspondence to Le Tran Uyen Tu <tuletranuyen@hueuni.edu.vn>
(Received: 19 February 2020; Accepted: 16 March 2020)
Abstract. This paper reports the synthesis of K0.5Na0.5NbO3 (KNN) ceramics by using an improved
conventional method. The influence of sintering temperatures of the fabricated ceramics on the
piezoelectric and dielectric properties was studied. It was found that density increases greatly within a
narrow temperature range, and reaches the highest value of 4.2 g/cm3 at 1090 °C, corresponding to a
dense microstructure with the tetragonal grain shape. However, when sintering temperature slightly
exceeds the optimal one, the density tends to decrease, accompanied by the appearance of abnormal
grain growth, which is considered to be due to the intensified volatilization of alkali metal oxides. At a
sintering temperature of 1090 °C, the highest values of electromechanical coupling factor (kp) and the
piezoelectric coefficient (d33) of the ceramics being 0.22 and 61 pC/N, respectively, may be related to
homogenous grains size of orthorhombic phase.
Keywords: lead-free ceramics, KNN, sintering temperature
Dng Th Hoài Trang CS.
126
1 Gii thiu
nhng thp k trước, các hệ gm áp điện
trên cơ sở chì điển hình như PZT được nghiên cứu
ng dng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [1-3].
Tuy nhiên, do những tác động không tốt của chì,
thành phần chiếm t l ln trong hp thc gm,
đến môi trường sức khỏe con người [4, 5], các
nhà khoa học đã và đang quan tâm phát triển mt
s h gốm áp điện không chì đặc tính áp điện
tương đương với h gốm áp điện kinh điển PZT
nhằm hướng đến các giải pháp thay thế thân thiện
với môi trường [5].
Trong s các hệ vt liệu không chì, gốm trên
nn (Na,K)NbO3 (KNN) được quan tâm đáng kể
nh chúng tính chất sắt điện khá nổi tri vi
nhiệt độ Curie cao (khoảng 420 °C), mở ra kh năng
thay thế vt liu gốm trên nền chì [6-12]. Hu hết
các nghiên cứu gần đây đều tập trung phát triển
các hệ gốm không chì trên cơ sở KNN vi mục tiêu
nâng cao các đặc trưng sắt điện và áp điện ca gm
bằng cách pha tạp hay phát triển công nghệ chế to
vt liu texture [14-17]. Bên cạnh đó, c nghiên
cu v vai trò của các tạp cht h tr thiêu kết như
CuO và BaO [18-20] tác động đến nhiệt độ thiêu kết
ca gm KNN cũng được công bố. Điều đó cho
thy việc xác định nhiệt độ thiêu kết tối ưu cho các
h gốm trên nền KNN cũng là một trong nhng
mối quan tâm của các nhà khoa học vt liu. Vi
nhiệt độ thiêu kết tối ưu, gốm KNN được chế to
hy vng s cấu trúc vi mô hoàn hảo hơn và các
tính chất điện tốt hơn.
Trong bài o này chúng tôi tiến hành
nghiên cứu ảnh hưởng ca nhiệt độ thiêu kết đến
cấu trúc, vi cấu trúc tính chất áp điện ca gm
với công thức hóa học (K0,5Na0,5)NbO3. Qua đó,
nhiệt độ thiêu kết tối ưu của h gm KNN chế to
bằng phương pháp phản ng pha rắn được xác
định. Kết qu của bài viết này hy vọng s đóng góp
s hiu biết cơ bn v mt s tính chất vt lý của
gm KNN khi nhiệt độ thiêu kết thay đổi.
2 Thc nghim
Chúng tôi tiến hành chế to h gm với công
thức hóa học (K0,5Na0,5)NbO3 bằng phương pháp
truyn thống. Các phối liệu ban đầu (độ tinh khiết
≥99 %, Daejung, Hàn Quốc) bao gm K2CO3,
Na2CO3, Nb2O5 lần lượt được s dụng. Trước khi
tiến hành cân, muối K2CO3 và Na2CO3 đưc sy ti
200 °C trong 2 giờ nhm gim thiu kh năng hút
m ca vt liu nn. Hn hp bột sau khi cân theo
đúng tỷ l đưc nghin trn trong 8 giờ. Các hạt
bt sau khi nghin trn s có phân bố kích thước
hạt khá đồng đều tạo điều kiện để phn ng pha
rn xy ra d dàng hơn trong quá trình nung sơ bộ
[13]. Tiếp theo, bột được ép và nung sơ b hai ln
850 °C trong 2 giờ nhm tạo được dung dch rn
như mong muốn [14]. Sau đó, bột được tiếp tc
nghin trong 16 gi trước khi ép. Bột được ép thành
dạng đĩa với đường kính 12 mm dưới áp lực 1,5
T/cm2 bằng máy ép thủy lực. Để hn chế s bay hơi
của các nguyên tố kiềm mặt trong thành phần
gốm được chế tạo, các mẫu gốm sau khi ép được
đặt trong chén nung chuyên dng chứa oxit nhôm
và được ph bng mt lp bột có cùng thành phần
hóa học. Cuối cùng, các mẫu gốm được thiêu kết
các nhiệt độ khác nhau lần lượt là 1070, 1080, 1090,
1100 và 1110 °C trong 2 giờ.
Pha cấu trúc của gốm được xác định bng
phương pháp nhiễu x tia X (XRD) trên máy D8
ADVANCE-Bruker. Vi cấu trúc của vt liệu được
đánh giá thông qua nh hiển vi điện t quét trên
h đo Novanano SEM 450-Fei. Mật độ mu gm
được xác định bằng phương pháp Archimedes.
Gốm sau khi đưc x bề mặt phủ đin cc
bc s được phân cực trong du cao áp ở 80 °C với
điện trường áp đặt c 30 kV/cm trong 30 phút. Các
phép đo đặc trưng điện ca vt liệu được tiến hành
sau 24 gi k t khi hoàn thành quá trình phân cực.
Tính chất áp điện ca gốm được xác định trên hệ
đo tự động hóa HP 1493A và RLC HIOKI 3532.
Hng s điện môi ở nhiệt độ phòng được tính bằng
Tạp chí Khoa học Đại hc Huế: Khoa hc T nhiên
Tp 129, S 1A, 125130, 2020
pISSN 1859-1388
eISSN 2615-9678
DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5663
127
cách đo điện dung C của các mẫu s dng RLC
HIOKI 3532 tn s 1kHz.
3 Kết qu và thảo lun
Hình 1 trình bày mật độ ca h gm
(K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết tại các nhiệt độ lần lượt là
1070, 1080, 1090, 1100 và 1110 °C.
Kết qu khảo sát cho thấy trong khong
1070–1110 °C, ban đầu mật độ ca gm KNN có xu
ớng tăng khi nhiệt độ thiêu kết tăng đạt giá
tr ln nhất tương ứng là 4,2 g/cm3 khi thiêu kết
1090 °C. Tuy nhiên, khi tiếp tục gia tăng nhiệt độ
thiêu kết, mật độ gm gim dn tương ứng vi s
xut hiện các lỗ xốp cũng như tình trạng cong vênh
ca b mt mu gm. Điều này có thể đưc d
đoán là do sự bay hơi khá nhanh của các ion natri
kali nhiệt độ thiêu kết cao. Kết qu này phù
hp vi gi thuyết của Margaret; đó là khi nhiệt độ
thiêu kết tăng cao thì các ion Na+ K+ v trí A
trong cấu trúc perovskite dễ dàng bị mt do bay
hơi. Do đó, số ợng các lỗ trng v trí A trong
mng tinh th tăng theo tương ứng [16].
Hình 2 là giản đồ nhiu x tia X ca h gm
(K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C ng với góc 2
trong khong t 20 đến 80°. Có thể nhận định rng
gốm cấu trúc perovskite ABO3, không tn ti
pha th hai. Để đánh giá dạng đối xng trong cu
trúc tinh thể ca gốm, cường độ các đỉnh nhiu x
tương ứng với góc 2 23° 46° được phân tích
chi tiết. C thể, khi quan sát các đỉnh nhiu x kép,
có thể nhn thy rằng cường độ của các đỉnh nhiu
x bên trái tương ứng vi mặt (110) và (220) cao
hơn so với các đỉnh bên phải tương ứng với các mặt
(001) và (020). So với công b của Skidmore và các
cng s, kết qu này chỉ ra rng gm KNN chế to
được có cấu trúc đối xng dng trc thoi [15].
Hình 1. Ảnh hưởng ca nhiệt độ thiêu kết đến mật độ
gm ca h (K0,5Na0,5)NbO3
Hình 2. Ph nhiu x tia X ca h gm (K0,5Na0,5)NbO3
thiêu kết tại 1090 °C
Hình 3 cho thấy nh hiển vi điện t quét
(SEM) ca gm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết ti (a)
1070 °C, (b) 1080 °C, (c) 1090 °C (d) 1100 °C. Như
đã thấy Hình 3a và 3b, vi cấu trúc của gm KNN
thiêu kết tại 1070 °C và 1080 °C không thật s đồng
nhất; hình dạng các hạt gốm khác nhau cũng như
có sự tn ti của các lỗ hng. Khi nhiệt độ thiêu kết
tăng đến 1090 °C, hình dạng các hạt gm tr nên
đồng đều hơn; bề mặt các hạt hình thành có dng
vuông hoặc ch nhật tương ng vi mật độ gm
đạt giá trị ln nhất. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng
nhiệt độ thiêu kết, mt s ng hạt có có xu hướng
phát triển lớn hơn nhiều. Kết qu là kích thước ht
ca gm li tr nên không đồng đều.
Dng Th Hoài Trang CS.
128
Hình 3. nh hiển vi điện t quét của gm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết tại (a) 1070 °C; (b) 1080 °C;
(c) 1090 °C; (d) 1100 °C
Để xác định tính chất áp điện ca gm
(K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C, chúng tôi tiến
nh khảo sát phổ dao động cộng hưởng biu din
s ph thuc ca tng tr Z, góc pha vào tần s
đo của các mẫu gm KNN nhiệt độ phòng (Hình
4). T kết qu đo phổ cộng hưởng dao động theo
phương bán kính thu được, chúng tôi đã xác đnh
tng tr Zmin, cp tn s cộng hưởng fm fn ng
với trường hp tng tr Z ca h đạt giá trị cc tiu
(Zmin) và cực đại (Zmax). H s áp điện d33 hệ s
liên kết điện cơ kp ca h gốm được xác định thông
qua ph cộng hưởng dao động và chuẩn IREE.
Hình 4. Ph cộng hưởng dao động theo phương bán
kính của gm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C
Hình 5 biểu din s ph thuc ca h s liên
kết điện cơ (kp) và hệ s áp điện (d33) ca gm KNN
theo nhit độ thiêu kết. Các thông số áp điện nêu
trên của vt liệu KNN xu hướng tăng khi tăng
nhiệt độ thiêu kết. Giá trị ln nht ca kp là 0,22, và
ca d33 61 pC/N, thu được khi thiêu kết h gm
1090 °C. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu kết, giá
tr ca h s liên kết điện cơ và hệ s áp điện gim
nhanh sau khi đi qua giá trị cực đại. Đặc trưng áp
điện khá tốt ca h gm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết
1090 °C tương ng vi s sp xếp khá đồng đều
của các hạt gốm có kích thước tương tự nhau.
Hình 5. Ảnh hưởng ca nhiệt độ thiêu kết đến h s
liên kết điện cơ kp và hệ s áp điện d33 ca gm
(K0,5Na0,5)NbO3
Tạp chí Khoa học Đại hc Huế: Khoa hc T nhiên
Tp 129, S 1A, 125130, 2020
pISSN 1859-1388
eISSN 2615-9678
DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5663
129
4 Kết lun
H gm không chì (K0,5Na0,5)NbO3 đưc chế
tạo thành công bằng phương pháp phản ng pha
rn. Kết qu thc nghim cho thy mật độ gm
thay đổi rõ nét trong khong nhiệt độ thiêu kết
tương đối hẹp, và giảm đáng kể khi nhiệt độ thiêu
kết tăng vượt giá trị tối ưu là 1090 °C. Quá trình
phát triển c ht bất thường có thể xảy ra và gia
tăng cùng với s tăng nhiệt độ thiêu kết cao hơn
giá trị tối ưu. Nguyên nhân khả dĩ có thể do s gia
tăng tốc độ bay hơi của các thành phần kim trong
hp thc gm vùng nhiệt độ cao. Giá tr tt nht
ca h s áp điện (d33 = 61 pC/N) và hệ s liên kết
điện cơ (kp = 0,22) thu được khi gốm KNN được
thiêu kết 1090 °C, ứng vi mật độ gm ln nht.
Thông tin tài trợ
Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn sự h
tr kinh phí từ Đề tài cấp Đại hc Huế 2018-2019
MS. ĐHH 2018-01-130 cho nghiên cứu này.
Tài liệu tham kho
1. Uchino K. Piezoelectric Actuators and Ultrasonic
Motors. Boston: Kluwer Academic Publishers; 1997.
2. Jae B, Cook WR, Jae H. Piezoelectric Ceramics. 1st
ed. New York: Academic Press; 1971. 328 p.
3. Xu Y. Ferroelectric Materials and Their
Applications. 1st ed. North Holland: Elsevier; 1991.
4. Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K,
Homma T, et al. Lead-free piezoceramics. Nature.
2004;432(7013):84-87.
5. European Parliament, Council of the European
Union. EU-Directive 2002/96/EC, Waste Electrical
and Electronic Equipment (WEEE). EU: Official
Journal of the European Union; 2002. 15 p. CELEX
No.: 32002L0096.
6. Narayana MS, Ramana MKV, Umakantham K,
Bhanumathi A. Modified (NaK)NbO3ceramics for
transducer applications. Ferroelectrics. 1990;102(1):243-
247.
7. Li J, Wang K, Zhu F, Cheng L, Yao F. (K,Na)NbO3-
Based Lead-Free Piezoceramics: Fundamental
Aspects, Processing Technologies, and Remaining
Challenges. Green DJ. Journal of the American
Ceramic Society. 2013;96(12):3677-3696.
8. Ma WX, Fu XH, Tao WH, Yang L, Cheng GY, Zhao LP.
KNN-Sb Lead-Free Piezoelectric Ceramics Synthesized
by Hydrothermal Method. Materials Science Forum.
2016;859:3-7.
9. Tennery VJ, Hang KW. Thermal and X‐Ray
Diffraction Studies of the NaNbO3KNbO3 System.
Journal of Applied Physics. 1968;39(10):4749-4753.
10. Dai Y, Zhang X, Chen K. Morphotropic phase
boundary and electrical properties of
K1−xNaxNbO3 lead-free ceramics. Applied Physics
Letters. 2009;94(4):042905.
11. Dai Y, Zhang X, Zhou G. Phase transitional behavior
in K0.5Na0.5NbO3LiTaO3 ceramics. Applied
Physics Letters. 2007;90(26):262903.
12. Yao F, Wang K, Li J. Comprehensive investigation of
elastic and electrical properties of Li/Ta-modified
(K,Na)NbO3 lead-free piezoceramics. Journal of
Applied Physics. 2013;113(17):174105.
13. Rubio-Marcos F, Romero J, Navarro-Rojero M,
Fernandez J. Effect of ZnO on the structure,
microstructure and electrical properties of KNN-
modified piezoceramics. Journal of the European
Ceramic Society. 2009;29(14):3045-3052.
14. Tashiro S, Nagamatsu H, Nagata K. Sinterability
and Piezoelectric Properties of KNbO3Ceramics
after Substituting Pb and Na for K. Japanese Journal
of Applied Physics. 2002 Nov 30;41(Part 1, No.
11B):7113-7118.
15. Dai Y, Zhang X, Zhou G. Phase transitional behavior
in K0.5Na0.5NbO3LiTaO3 ceramics. Applied
Physics Letters. 2007;90(26):262903.
16. Skidmore T, Milne S. Phase development during
mixed-oxide processing of a [Na0.5K0.5NbO3]1−x–
[LiTaO3]x powder. Journal of Materials Research.
2007 08;22(8):2265-2272.
17. Matsubara M, Yamaguchi T, Kikuta K, Hirano S. Effect
of Li Substitution on the Piezoelectric Properties of
Potassium Sodium Niobate Ceramics. Japanese Journal
of Applied Physics. 2005;44(8):6136-6142.
18. Guo Y, Kakimoto K, Ohsato H. (Na0.5K0.5) NbO3
LiTaO3 lead-free piezoelectric ceramics. Materials
Letters. 2005; 59(2-3):241-244.
19. Matsubara M, Yamaguchi T, Kikuta K, Hirano S.
Sintering and Piezoelectric Properties of Potassium
Sodium Niobate Ceramics with Newly Developed
Dng Th Hoài Trang CS.
130
Sintering Aid. Japanese Journal of Applied Physics.
2005;44(1A):258-263.
20. Kakimoto K, Masuda I, Ohsato H. Ferroelectric and
Piezoelectric Properties of KNbO3 Ceramics
Containing Small Amounts of LaFeO3. Japanese
Journal of Applied Physics. 2003;42(Part 1, No.
9B):6102-6105.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Full-text available
A full set of elastic and electrical coefficients of (K,Na)NbO3-based lead-free piezoceramics with a nominal composition of Li0.03(K0.48Na0.52)0.97(Nb0.8Ta0.2)O3 (abbreviated as KNNLT) was evaluated by the standard resonance method, and compared to those of K4CuNb8O23 doped (K0.45Na0.55)NbO3 (KNN-KCN) as well as typical Pb(Zr,Ti)O3-based piezoceramics PZT5A. The measurement of intermediate elastic stiffness and compliance coefficients of KNNLT indicated that KNNLT is elastically “softer” than KNN-KCN but “harder” than PZT5A. An extremely high piezoelectric stiffness coefficient h33 = 68.8 × 108 V/m was obtained, due to an especially low clamped dielectric constant ε33S of 361. And a large longitudinal electromechanical coupling factor k33 = 57% was observed in the KNNLT system. Furthermore, the piezoelectric coefficient d33 of KNNLT was characterized via three distinctive methods: the resonance method, the Berlincourt method, and the converse piezoelectric strain measurement; while these three techniques yielded values of 174 pC/N, 195 pC/N, and 308 pm/V, respectively. The difference in d33 values determined by the three methods may be attributed to different measurement frequencies and extrinsic piezoelectric contributions related to domain wall vibration and domain switching. Besides, the piezoelectric performances of KNNLT piezoceramics were found insensitive to frequency but susceptible to temperature and electric field cycling.
Article
Full-text available
Lead-free K{sub 1-x}NaNbO ceramics with x=0.48-0.54 were prepared by a conventional solid-state reaction method to investigate the influence of the K/Na ratio on phase structures and electrical properties. The results suggest that a typical morphotropic phase boundary exists at x=0.52-0.525, separating the monoclinic and orthorhombic phases. The sample with the composition near x=0.52 shows the maximum values of the piezoelectric constant (d=160 pC/N) and the electromechanical coupling coefficient (k{sub t}=47%). The results provide a helpful guidance to consider the optimal ratio of K to Na for designing and developing new (K,Na)NbO-based ceramics.
Article
K1-xNaxNb1-ySbyO3 lead-free piezoelectric ceramic powders were prepared by hydrothermal route. The samples were sintered under normal pressure at 1060 °C for 2 h. The structure of piezoelectric ceramics is perovskite and crystalline grain shows a block shape. With the different ceramics component and microstructure, piezoelectric constant d33 varies from 20 to 73. When x=0.54, y=0.04, reached the maximum.
Article
Environment-friendly lead-free piezoelectric ceramics have been studied extensively in the past decade with great progress particularly in systems based on a niobate perovskite compound formulated as (K, Na)NbO3 (abbreviated as KNN). A comprehensive review on the latest development of KNN-based piezoelectric ceramics is presented in this article, including the phase structure, property enhancement approaches, and sintering processes as well as the status of some promising applications. The phase structure of KNN was reexamined and associated with the effect of chemical modification on its tetragonal-to-orthorhombic transition. Then, a special focus is placed on the temperature dependence of piezoelectric properties of KNN-based ceramics, followed by reviewing the recent approaches devoted to the temperature-stability enhancement. The processing fundamentals related to the sintering of KNN-based ceramics are also presented with an emphasis on compositional and microstructural control. Finally, this review introduces several industrial attempts of traditional piezoceramic products using KNN-based ceramics and the studies on some promising application in authors' laboratory.
Article
(K,Na,Li)NbO3 (KNN) ceramics with 0.38 mol % K5.4Cu1.3Ta10O29 (KCT) have been prepared by a solid state reaction and their electrical properties were examined. The Curie temperature of (K,Na,Li)NbO3 increased with increasing Li substitution in both the Na and K sites. The 6 mol % Li-substituted sample showed a tetragonal phase at room temperature. Furthermore, a 1-2 mol % Li substitution for Na or K in (K0.5Na0.5)NbO3 improved several of its electrical properties. Most importantly, (K0.49Li0.01Na0.5)NbO3 attained high kp and Qm values of 0.43 and 2000, respectively. The value of the field-induced strain was also increased by substituting Li into (K0.5Na0.5)NbO3. The piezoelectric constant d33 of (K0.5Li0.02Na0.48)NbO3 was approximately 200 pm/V, which was calculated from the slope of the field-induced strain curve at 30--40 kV/cm under a unipolar driving field.
Article
As a candidate for lead-free piezoelectric materials, (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN)-based ceramics have been successfully synthesized via a solid state reaction. In this study, KNN-based ceramics were sintered under atmospheric pressure by adding the newly developed sintering aid (K5.4Cu1.3Ta10O29, KCT). The effects of KCT addition on the sinterability and electrical properties of the KNN ceramics were examined. The KCT addition to KNN at more than 0.38 mol% was effective to improve the sinterability of the KNN ceramics. The phase transition temperature of the KNN ceramics prepared indicated that part of KCT reacted with the KNN matrix during the sintering process. The \varepsilonr, kp, Np and Qm values of prepared KNN ceramics strongly depended upon the KCT content. The KCT addition to KNN greatly improved the Qm values (>1000) of the KNN ceramics. The Qm and kp of 0.38 mol% KCT added KNN ceramics were 1200 and 0.42, respectively. In addition, the KNN ceramics with 0.38 mol% KCT showed large field induced strain of 0.09% at 40 kV/cm, and d33 of approximately 190 pm/V under a unipolar field from 30 to 40 kV/cm.
Article
Dense KNbO3 ceramics have been successfully synthesized by pressure-less sintering under optimized heat-treatment conditions using a small amount of La2O3 and Fe2O3 additives. KNbO3 forms (K1-xLax)(Nb1-xFex)O3 solid solutions and changes in the crystal system, depending on the additive content, from orthorhombic to tetragonal at x of 0.020, and from tetragonal to cubic at x of 0.200 or higher. When only 0.002 mol of La2O3 and Fe2O3 (x=0.002) was added into KNbO3, the highest value (98.8%) of the theoretical density was obtained. This specimen showed orthorhombic symmetry with a high Curie temperature of 420°C, and demonstrated a well-saturated ferroelectric hysteresis loop with large remanent polarization (Pr) of 18 muC/cm2, which is comparable to the value reported for pure KNbO3 ceramics fabricated by hot pressing. Furthermore, the x=0.002 specimen showed a planar electromechanical coupling ratio (kp) of 0.17 and piezoelectric d33 constant of 98 pC/N, regardless of the unsaturated poling state.
Article
Potassium niobate (KNbO3) ceramics are usually porous due to their poor sinterabilty under ordinary firing in air, although the single crystal exhibits a large amount of piezoelectricity. We found a marked improvement in the sinterability of KNbO3 ceramics on substituting a small amount of Pb for K. However, the amount of piezoelectricity of the ceramics was small due to their fine grains (< 0.2 mum). In order to realize large grains, we substituted Na and Pb for K, and fired the ceramics for long periods of time.