[發明專利]鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶及其生長方法

有效

• 申請號: 201610217456.2
• 申請日: 2016-04-08
• 公開（公告）號: CN107268084B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 朱秀;許桂生;劉錦峰;田彥鋒
• 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;C30B11/00
• 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

本發明涉及鈮酸鉀鈉?鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶及其生長方法，所述鈮酸鉀鈉?鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的化學式為(1?y)(K_xNa_1?x)NbO₃?y(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃，其中0.4≤x≤0.6,0≤y≤0.1。本發明中，將原料與生長助劑混合預燒，并采用坩堝下降法生長得到鈮酸鉀鈉?鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶，通過添加生長助劑后的坩堝下降法生長晶體具有容易成核，晶體尺寸較大(2～20mm)且裂紋較少等優點。

技術領域

本發明屬于壓電單晶領域，特別是涉及鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶及其生長方法。

背景技術

壓電材料是一類非常重要的功能性材料，利用其彈性性能、介電性能、壓電性能、熱釋電性能、鐵電性能以及光學性能等，使得壓電材料在超聲換能器、傳感器、驅動器、濾波器、存儲器等領域獲得了廣泛的應用。目前應用最為廣泛的壓電材料是PZT基材料，尤其是以鈮鎂酸鉛(PMNT)和鈮鋅酸鉛(PZNT)為代表的弛豫型鐵電單晶。雖然它們具有非常高的壓電系數和機電耦合系數，但是鉛基壓電材料中PbO(或Pb₃O₄)的含量超過60％，鉛的毒性使得鉛基壓電陶瓷在生產、使用及廢棄后處理過程中都會給人類及生態環境帶來嚴重危害，這與人類社會的可持續發展相悖，因此研究和開發無鉛壓電陶瓷是一項有重大社會意義和經濟意義的課題。

鈮酸鉀鈉(K_xNa_1-xNbO₃，簡寫KNN)基無鉛壓電材料在上世紀50年代就具有介電常數低，密度輕，居里溫度高，機械品質因素大，頻率常數大，壓電和機電耦合性能一般的特點。且鈮酸鉀鈉陶瓷在制備過程中存在致密度低、燒結性能差等的缺點，因此難以通過常規燒結方法實現致密化，導致壓電性能均無法與鉛材料相媲美。

目前為止，國內外鈮酸鉀鈉單晶的摻雜主要是Li、Sb、Ta等元素的摻雜，采用的生長方法有高溫助熔劑法、固態晶體生長法和坩堝下降法等。以上所生長的晶體在200℃左右有一個正交-四方相變峰，在相變前后，壓電性能變化很大，對材料的應用是極其不利得的，壓電陶瓷有報道通過加入鋯酸鉍鈉可以使相變溫度降到室溫附近，但至今沒有晶體方面的報道。晶體與陶瓷相比，有最優的結晶取向，相同組分的單晶比陶瓷有更優異的壓電、鐵電、介電等性能。由于加入氧化鋯，常用的晶體生長法很難生長出鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉單晶，晶體結晶較差，晶體尺寸較小(通常5mm以下)且裂紋很多。

發明內容

本發明針對現有技術存在的問題，提供一種新的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電單晶，以及通過添加生長助劑制備大顆粒、少裂紋的鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的生長方法。

本發明提供一種鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶，所述鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的化學式為(1-y)(K_xNa_1-x)NbO₃-y(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃，其中0.4≤x≤0.6,0≤y≤0.1。

本發明的所述鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的晶粒尺寸可為2～20mm。

本發明的鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的正交-四方相變溫度可為70～110℃，居里溫度可為310～330℃，壓電常數可為～320pC/N。

本發明還提供一種鈮酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉無鉛壓電單晶的生長方法，所述生長方法包括：