[發明專利]一種工業化生產弛豫鐵電單晶PMN-PT的方法

無效

• 申請號: 201210140357.0
• 申請日: 2012-05-08
• 公開（公告）號: CN103388180A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 蔣子博
• 申請（專利權）人: 上海怡英新材料科技有限公司
• 主分類號: C30B29/30
• 分類號: C30B29/30;C30B29/32;C30B35/00
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及陶瓷結晶技術、晶體生長技術以及熔融原料加料技術；該技術適合在結晶過程中出現成分偏析的二元系或者三元系的晶體系統。本發明還涉及利用自動加料技術生長鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)晶體。

背景技術

壓電材料能進行電能與機械能的轉換而發射與接收超聲信號，是超聲探頭之中的核心部件。近年來，一種弛豫鐵電單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(簡寫作PMN-PT)晶體開始被運用于醫療超聲成像鄰域。在鈦酸鉛PT的化學組分接近MPB象界(25～35％PT)的情況下，該晶體的機電耦合系數(k33)可以達到90％以上，壓電常數(d33)可以達到2500PC/N以上，是一種性能十分優異的壓電材料。生產PMN-PT晶體的方法是布里奇下降法。該方法通過使裝有PMN-PT陶瓷的坩堝在加熱爐中緩慢下降的方法獲取PMN-PT單晶。在生長過程中，預先放置在坩堝中的PMN-PT陶瓷被密封處理，沒有新的原料補充。

用上述方法生產PMN-PT單晶存在難工業化生產的問題。

其中一個原因是，含鉛的熔融態液體在高溫下非常容易揮發出氣態氧化鉛，其結果是在晶體生長過程中出現鈦酸鉛PT的成分偏析，生長得到的晶錠中PT含量由一端到另一端變化十分明顯。

其中另一個原因是，PMN-PT晶體的壓電性能在25～35％PT之間隨化學成分的改變而變化巨大(T.R.Shrout，Z.P.Chang，N.Kim，and?S.Markgraf，《PMN-PT單晶在MPB象界的壓電性能》Ferroelectr.Lett.12，63(1990))。

結果是，晶錠的有效使用長度很短(通常在50mm以內)，晶體的成品率很低；因而，用上述方法制得的產品成本很高，阻礙了該晶體的產業化。

發明內容

本發明的目的是，提供一種在晶體生長過程中不斷加料的生產方法，解決二元系或者三元系的晶體生長中組分偏析的問題。

本發明的另一目的是，通過連續加料的生產方法，提供一種可工業化生產的PMN-PT晶體生長技術，使其成品率提高，成本降低。

為達到以上目的，本發明的技術方案是：在布里奇下降法中晶體生長系統的基礎上增加原料熔融系統和熔融原料輸送系統；在晶體生長過程中出現成分偏折時，原料熔融系統經熔融原料輸送系統給晶體生長系統輸入已熔融原料，因此不斷補充流失的成分，最大程度地減少成分偏析。

本發明由以下結構組成：晶體生長系統、原材料熔融系統以及連接以上兩個系統的熔融原料輸送系統。晶體生長系統的作用是讓晶體在合適的條件下生長，其結構包括晶體生長坩堝、晶體生長加熱系統、垂直升降系統以及保溫系統組成。原料熔融系統的作用是加熱并儲存原料，其結構包括原料熔融坩堝、原料熔融坩堝的加熱系統以及原料熔融系統的保溫材料。原料輸送系統的作用是把熔融原料從原料熔融系統輸送到晶體生長系統，其結構包括熔融原料輸送管道、氣體熱交換管道、氣體控制系統以及熔融原料輸送系統的保溫材料。本發明裝置根據晶體生長的狀況，通過控制氣體熱交換管道中氣體的流通速率來控制熔融原料的進給速率，最終達到減少成分偏析的目的。

本發明需要的硬件包括：至少一個垂直電爐，該垂直電爐的加熱使用硅鉬加熱器或者硅碳加熱器；該垂直電爐被分為三個溫區，即原料熔融溫區(溫度在1360℃以上)、生長保溫區(溫度在1350℃以上)以及低溫結晶區；至少一個用于晶體生長的鉑金坩堝，該坩堝的容積在500～5000cm³之間，厚度在0.3～1.9mm之間；至少一個用于熔融原料的鉑金坩堝，該坩堝的容積在1000～8000cm³之間，厚度在0.5至3.0mm之間；至少一個連接上述原料熔融坩堝和晶體生長坩堝的熔融原料輸送管道，該管道的厚度在0.5mm到3.0mm之間；至少一個氣體熱交換管道，圍繞于熔融原料輸送管道外徑；至少三個測溫點，一點監測原料熔融坩堝的溫度，兩點監測晶體生長坩堝的溫度；一種垂直下降的位控裝置，使晶體合成坩堝相對垂直爐體的下降速率在0.05mm/hr～10.0mm/hr之間；能夠精確控制上述熱交換氣體流量、晶體生長坩堝垂直下降速率以及垂直電爐溫度梯度的軟件。

在晶體生長時，晶體生長坩堝的溫度梯度在10°/cm到50°/cm之間。

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

附圖說明

圖1是工業化生產PMN-PT晶體設備的整體示意圖。

圖2是原料熔融系統的結構示意圖。

圖3是熔融原料輸送系統的結構示意圖。