[發明專利]適用于高溫領域的四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電單晶及其制備方法

在審

• 申請號: 201410588236.1
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN105624784A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 劉錦峰;許桂生;楊丹鳳;陳夏夏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B15/02;C30B15/36
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種壓電單晶及其生長方法，具體涉及一種四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基高 溫壓電單晶及其制備方法。

背景技術

壓電材料可以實現機械能和電能之間的相互轉換，是一類重要的功能材料，廣泛應 用于航空、能源、汽車制造、通信、家電、探測和計算機等諸多領域，是構成濾波器、換能 器、傳感器、壓電變壓器等電子元件的重要部件，已成為21世紀高新技術的主要研究方向 之一。近十幾年來，隨著航天航空、石油化工、地質勘探、核能發電、汽車制造等工業的迅 速發展，電子設備需要在更高的溫度下工作，同時也對壓電材料提出了更高的要求，不僅要 求壓電材料具有優異的性能，而且還要求壓電材料具有更高的使用溫度。例如用于汽車機罩 內的振動傳感器、表面控制和動態燃料注射噴嘴上的壓電材料要求工作溫度高達300℃，油 井下使用的聲波測井換能器工作溫度也達到200-300℃。因此，現在工業中的很多場合要求 壓電材料必須在較高的溫度下(﹥400℃)不出現結構相變以保證不發生高溫退極化現象而劣 化壓電器件的溫度穩定性。此外，在壓電性能方面，壓電單晶有著比壓電陶瓷優異得多的性 能，例如目前研究較多的高居里溫度壓電材料鈧酸鉍-鈦酸鉛體系，在準同型相界處壓電陶 瓷的壓電常數d₃₃＝460PC/N，機電耦合系數k₃₃＝0.56；而準同型相界處壓電單晶的壓電常數 d₃₃＝1150PC/N，機電耦合系數k₃₃＝0.90(R.Eitel,C.A.Randall,T.R.Shrout,andS.E.Park,Jpn. J.Appl.Phys.2002,41,2009；S.J.Zhang,C.A.Randall,andT.R.Shrout,Appl.Phys.Lett.2003, 83,3150.)。因此，要想同時滿足上述行業對壓電材料性能和使用溫度的要求，壓電單晶有著 無可比擬的優勢。

雖然鈧酸鉍-鈦酸鉛體系為目前研究較多的高溫高性能壓電材料，但是其也存在一些 不足。首先準同相界處壓電單晶雖然有著優異的壓電性能，但是居里溫度還是偏低，只有 402℃；此外，鈧酸鉍-鈦酸鉛的制備原材料氧化鈧的價格極其昂貴，從而使得鈧酸鉍-鈦酸 鉛很難在工業上獲得大規模的應用。鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛體系是目前研究較多的另外一個高溫 壓電體系，其原材料價格便宜，適合于大規模生產。目前對鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛體系的研究主 要集中在壓電陶瓷上(C.A.Randall,R.E.Eitel,B.Jones,andT.R.Shrout,JApplPhys,2004, 95,3633；Q.Zhang,Z.Li,F.Li,Z.Xu,andX.Yao,JAmCeramSoc,2010,93,3330；CN 102336567A)。且其成分都集中在準同相界周圍，即(1-x)Bi(Mg_1/2Ti_1/2)O₃-xPbTiO₃中x的值 小于0.42，其物相為三方相，未摻雜樣品的居里溫度在450℃以下，摻雜錳之后雖然有所提 高，但是提高的幅度不大，只有520℃左右。也很難滿足很多高溫領域對材料使用溫度的要 求。

因此，如何進一步提高鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛體系的使用溫度、壓電性能，是該領域人員 的一個重要研究方向。

發明內容

本發明旨在進一步拓展鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛體系壓電材料的類型，并提高鈦鎂酸鉍-鈦酸 鉛體系壓電材料的使用溫度及壓電性能，本發明提供了一種四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基高溫 壓電單晶及其制備方法。

本發明提供了一種四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電單晶的制備方法，所述四方相鈦鎂 酸鉍-鈦酸鉛基壓電單晶的組成化學式為(1-x)Bi(Mg_1/2Ti_1/2)O₃-xPbTiO₃，其中，0.50≦x≦ 0.90，所述制備方法包括：

1)按所述四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電單晶的組成化學式稱取MgO、TiO₂、Bi₂O₃和鉛的 氧化物作為單晶組成原料，并稱取助熔劑，將單晶組成原料和助溶劑混合后得到晶體生長用 起始料，其中，助熔劑質量為總原料質量的20-80％；