一種K_0.5Na_0.5NbO₃基鐵電壓電單晶及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種K0.5Na0.5NbO3基鐵電壓電單晶，所述K0.5Na0.5NbO3基鐵電壓電單晶以Li2CO3、Bi2O3和MnO2作為摻雜原料，以K0.5Na0.5NbO3為主體材料組成，化學(xué)式為：xMnO2?(1–x)(99.6K0.5Na0.5NbO3?0.4LiBiO3)，其中0≤x≤0.005。將所用原料Na2CO3 (99.8%)、K2CO3 (99%)、Li2CO3 (97%)、Nb2O5 (99.5%)、MnO2 (85%)和Bi2O3 (99%)均置于120℃的烘箱中干燥4~6 h。按化學(xué)式成分質(zhì)量比準(zhǔn)確稱量原料裝入HDPE材質(zhì)的球磨瓶中，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24 h。將球磨后產(chǎn)物取出，烘干，然后在750℃下預(yù)燒6 h。然后再以無水乙醇為介質(zhì)球磨12~16 h后烘干。將烘干的粉料過100目篩后，在100 MPa的壓力下壓制成直徑為25 mm，厚度為2~3 mm的圓坯。將壓制好的圓坯在1100℃下保溫21 h燒結(jié)獲得單晶。將單晶取出，再置于氧氣氣氛下退火10 h。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過該方法制備的K0.5Na0.5NbO3基鐵電壓電單晶具有優(yōu)異的壓電性能，因此在鐵電壓電單晶領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000? ]本發(fā)明涉及鐵電壓電單晶材料，具體是一種K〇.5Na〇.5Nb〇3基鐵電壓電單晶及其制 備方法。 _種K〇.5Na〇.5Nb〇3基鐵電壓電單晶及其制備方法
【背景技術(shù)】
[0002] 在無鉛壓電材料中，KQ.5NaQ.5Nb0 3基無鉛壓電陶瓷被認(rèn)為是性能優(yōu)異的體系之一。 K0.5NaQ.5NbO3基陶瓷的壓電性能不僅與摻雜成分有關(guān)，還與結(jié)晶取向密切相關(guān)，特別是單晶 體。通常，單晶的鐵電、壓電、介電等性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同類的陶瓷材料，因此K Q.5NaQ.5Nb03基無 鉛壓電單晶也有望獲得更好的性能。由于Na 2O和K2O在約900 °C時(shí)便開始揮發(fā)，而傳統(tǒng)的單晶 制備方法需要長時(shí)間在高溫環(huán)境下生長，具有晶體生長速度緩慢、制備周期長的缺點(diǎn)。這導(dǎo) 致在生長Kq. 5Na〇.5Nb03基單晶過程中，不可避免的引起K和Na元素的揮發(fā)，從而引起晶體成 分不均勻、晶體結(jié)構(gòu)缺陷難以控制、材料性能下降等。傳統(tǒng)的陶瓷固相燒結(jié)技術(shù)能克服傳統(tǒng) 單晶生長法的缺點(diǎn)，是制備陶瓷最簡便、易控制材料質(zhì)量也是成本最低的常用技術(shù)。如何將 這種多晶材料制備工藝的優(yōu)勢(shì)與單晶材料的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，創(chuàng)立、發(fā)展一種制備過 程簡便、成本低廉、性能優(yōu)異的K Q.5NaQ.5Nb03基壓電單晶的生長新技術(shù)和新方法，具有重要 的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 2009年，發(fā)明人在針對(duì)Ko. 5NaQ. 5Nb〇3基無鉛壓電陶瓷摻雜改性的研究過程中發(fā)現(xiàn)： 在Ko. 5NaQ. 5Nb03基陶瓷中引入微量含鉍(Bi)元素的復(fù)合氧化物時(shí)，采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工 藝就可以在常規(guī)條件下制備出擇優(yōu)取向度極高的Ko. 5NaQ. 5Nb03基陶瓷，如果控制燒結(jié)溫度 和保溫時(shí)間還可以使晶粒繼續(xù)長大，可以獲得尺寸達(dá)到IOmm以上的帶色透明單晶顆粒[1. 江民紅，劉心宇，鄧滿姣，陳國華.鈮酸鉀鈉織構(gòu)陶瓷與鈮酸鉀鈉單晶的制備方法.中國，發(fā) 明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01010247474 · 8; 2 .Minhong Jiang，Clive A · Randal I ,HanzhengGuo， GuanghuiRao,RongTu,ZhengfeiGu,Gang Cheng,Xinyu Liu,Jinwei Zhang,and Yongxiang Li, Seed-Free Solid-State Growth of Large Lead-Free Piezoelectric Single Crystals:(Nal/2Kl/2)Nb03,Journal of the American Ceramic Society,2015,98(10): 2988-2996.]。該現(xiàn)有技術(shù)與傳統(tǒng)的晶體生長技術(shù)相比，該方法操作簡便、設(shè)備簡單，成本 低，生長晶體組分的均勻性好、體系多樣，適合生長組分熔點(diǎn)不同、寬范圍溶解度、揮發(fā)性 強(qiáng)、冷卻階段易發(fā)生破壞性相變的晶體。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)存在以下問題:所制備的K〇.5Na〇.5Nb〇3基鐵電壓電單晶的介電損耗$父尚。 高介電損耗影響到K Q.5NaQ.5Nb03基晶體的鐵電壓電性能的準(zhǔn)確測量以及晶體的工業(yè)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種K〇.5Na〇.5Nb〇3基鐵電壓電單晶及其制備方法。本發(fā)明綜 合采用了應(yīng)用無籽固相晶體生長技術(shù)、MnO 2摻雜改性技術(shù)和退火處理技術(shù)，成功制備了 xMn〇2-(l-x)(99.6K〇.5Na().5Nb03-〇.4LiBi0 3)(0 彡 X彡 0.005)鐵電壓電單晶。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0007] 步驟（I)所用原料Na2C03(99.8% )、K2⑶3(99% )、Li2⑶3(97% )、Nb2〇5(99.5% )、 MnO2 (85 % )和Bi2O3 (99 % )均置于120 °C的烘箱中干燥4~6h。
[0008] 步驟(2)按化學(xué)式成分質(zhì)量比準(zhǔn)確稱量原料裝入HDPE材質(zhì)的球磨瓶中，以無水乙 醇為介質(zhì)球磨24h。
[0009] 步驟(3)將球磨后產(chǎn)物取出，烘干，然后在750°C下預(yù)燒6h。
[0010] 步驟(4)然后再以無水乙醇為介質(zhì)球磨12~16h后烘干。
[0011] 步驟(5)將烘干的粉料過100目篩后，在IOOMPa的壓力下壓制成直徑為25mm，厚度 為2~3mm的圓還。
[0012] 步驟(6)將壓制好的圓坯在IlOOtC下保溫21h燒結(jié)獲得單晶。
[0013] 步驟（7)將單晶取出，再置于氧氣氣氛下退火IOh，即可制得XMnO2-(I-X) (99 · 6K〇. sNao. SNbO3-O · 4LiBiO3) (X = 0-0 · 50at % )無鉛壓電單晶。
[0014]所得單晶再經(jīng)以下處理后測試電性能：將單晶沿(002)晶面定向磨薄、拋光、披銀 后，在100°C硅油浴中極化20min，極化電壓2~3kV/mm，靜止48小時(shí)后測試其性能。測試結(jié)果 見表1。
[0015]表1 〇 · 25Mn〇2_99 · 75(99 · 6KQ5NaQ5Nb〇3-〇 · 4LiBi03)單晶樣品的性能參數(shù)舉例
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:經(jīng)氧氣退火處理后，采用無籽固相晶體生長技術(shù)制備的MnO2摻 雜的99.6KQ.5NaQ.5Nb03-0.4LiBi0 3單晶獲得了優(yōu)異的壓電性能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過該方法制 備的KQ.5Na Q.5Nb03基鐵電壓電單晶的壓電常數(shù)和剩余極化強(qiáng)度最高達(dá)到d33 = 6 9 3pC/N、Pr = 40. lyC/cm2，介電損耗為tanS = 〇. 〇 18。因此在鐵電壓電單晶領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018] 圖1采用本發(fā)明方法制備的Mn〇2摻雜KtL5NatL5NbO 3-LiBiO3單晶相片
【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例一：
[0020] 步驟（1)所用原料Na2C03(99.8% )、K2⑶3(99% )、Li2⑶3(97% )、Nb2〇5(99.5% )、 Mn〇2 (85 % )和M2O3 (99 % )均置于120 °C的烘箱中干燥4~6h。
[0021] 步驟（2)稱取 10.5513g Na2C03、13.8700g K2C03、0.0608g Li2C03、53.0824g Nb2〇5、 0.0888g Mn〇2和0.3756g Bi2〇3裝入HDPE材質(zhì)的球磨瓶中，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24h。
[0022] 步驟(3)將球磨后產(chǎn)物取出，烘干，然后在750°C下預(yù)燒6h。
[0023] 步驟(4)然后再以無水乙醇為介質(zhì)球磨12~16h后烘干。
[0024]步驟(5)將烘干的粉料過100目篩后，在IOOMPa的壓力下壓制成直徑為25mm，厚度 為2~3mm的圓還。
[0025]步驟(6)將壓制好的圓坯在1100 °C下保溫21 h燒結(jié)獲得單晶。
[0026] 步驟（7)將單晶取出，再置于氧氣氣氛下退火10h，即可制得0.25Mn〇2_99.75 (99.6K〇.5Na().5Nb〇3-〇.4LiBi〇3)壓電鐵電單晶。
[0027] 實(shí)施例二：
[0028] 制備方法同實(shí)施例一，區(qū)別在于，步驟（7)將 Ο. 4LiBi03) 晶體取出后 ，未經(jīng)后續(xù)氧氣退火處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種KQ.5Nao.5Nb03基鐵電壓電單晶，其特征在于:所述K Q.5Nao.5Nb03基鐵電壓電單晶以 Li2C03、Bi2〇3和Μη02作為摻雜原料，以K Q.5Na〇.5Nb03為主體材料組成，化學(xué)式為:χΜη0 2-(1-χ) (99.61(。.5恥。.5他03-0.41^8103)，其中0彡叉彡0.005。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述Ko. 5Nao. 5Nb03基鐵電壓電單晶的制備方法，其特征在于包括以下 步驟： 步驟（1)所用原料 Na2C〇3(99.8%)、K2TO3(99%)、Li2ra3(97%)、Nb2〇5(99.5%)、Mn〇2 (85 % )和Bi2〇3 (" % )均置于12〇 °C的烘箱中干燥4~詘； 步驟(2)按化學(xué)式的成分質(zhì)量比稱量原料裝入HDPE材質(zhì)的球磨瓶中，以無水乙醇為介 質(zhì)球磨24h; 步驟(3)將球磨后產(chǎn)物取出，烘干，然后在750°C下預(yù)燒6h; 步驟(4)然后再以無水乙醇為介質(zhì)球磨12~16h后烘干； 步驟(5)將烘干的粉料過100目篩后，在lOOMPa的壓力下壓制成直徑為25mm，厚度為2~ 3mm的圓還； 步驟(6)將壓制好的圓坯在1100°C下保溫21h燒結(jié)獲得單晶。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述制備方法，其特征在于:在所述步驟(6)之后，進(jìn)行步驟(7)將單 晶取出，再置于氧氣氣氛下退火l〇h。
【文檔編號(hào)】C30B29/30GK106087058SQ201610462327
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】江民紅, 張津瑋, 顧正飛, 成鋼
【申請(qǐng)人】桂林電子科技大學(xué)