一种铌酸钾钠单晶及其制备方法与流程

本发明涉及铁电压电单晶材料，具体是一种铌酸钾钠单晶及其制备方法。

背景技术：

铌酸钾钠（K_0.5Na_0.5NbO_3，KNN）系压电陶瓷因具有压电性能高、频率常数大、居里温度高及组成元素对人体友好等特点，正成为国内外该领域的研究热点之一，被认为是很有前途替代以 PbZrO3-PbTiO3（PZT）体系为代表的含铅压电陶瓷的无铅压电材料之一。一般，按陶瓷的结晶形态，陶瓷可分为多晶与单晶两大类。单晶陶瓷因为不受晶粒大小、晶粒取向、晶界与气孔率等的影响，从而比多晶陶瓷拥有更加优异的性能，如具有更加优异的介电、压电与光学性能等。传统的陶瓷固相烧结技术能克服传统单晶生长法的缺点，是制备陶瓷最简便、易控制材料质量也是成本最低的常用技术。如何将这种多晶材料制备工艺的优势与单晶材料的结构性能优点相结合，创立、发展一种制备过程简便、成本低廉、性能优异的KNN基压电单晶的生长新技术和新方法，具有重要的研究意义和应用价值。

2009年，发明人在针对KNN基无铅压电陶瓷掺杂改性的研究过程中发现：在KNN基陶瓷中，采用传统的陶瓷制备工艺就可以在常规条件下制备出大尺寸的KNN单晶。[1] 江民红，刘心宇，邓满姣，陈国华. 铌酸钾钠织构陶瓷与铌酸钾钠单晶的制备方法. 中国，发明专利，申请号：201010247474.8；2. Minhong Jiang, Clive A. Randall, 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: (Na1/2K1/2)NbO3, Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98 (10):2988–2996.]。该现有技术与传统的晶体生长技术相比，该方法操作简便、设备简单，成本低，生长晶体组分的均匀性好、体系多样，适合生长组分熔点不同、宽范围溶解度、挥发性强、冷却阶段易发生破坏性相变的晶体。

现有技术存在以下问题： KNN单晶的无籽固相生长需要通过掺杂微量含铋（Bi）元素的复合氧化物才能实现，铋元素比较贵重，而且高扩散系数的铋的存在是KNN单晶介电损耗较高的原因之一，因此探索无铋铌酸钾钠单晶的生长技术具有重要意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种铌酸钾钠单晶及其制备方法。通过改变铌酸钾钠中K、Na的摩尔比，采用无籽固相生长技术制备出纯的不含铋元素的铌酸钾钠单晶。

实现本发明铌酸钾钠单晶的具体技术方案包括如下步骤：

步骤（1）所用原料Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅在称量配料前均置于烘箱中烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为4~6 h；

步骤（2）按照摩尔比0.52:0.48:1称取K₂CO₃、Na₂CO₃和Nb₂O₅原料装入HDPE材质的球磨瓶中，以无水乙醇为介质球磨24 h；

步骤（3）将球磨后产物取出，烘干，压片，预烧，预烧的温度为750℃，预烧的时间为6 h；

步骤（4）然后以无水乙醇为介质二次球磨12~16 h后烘干；

步骤（5）将烘干的粉料过100目筛后，在100 MPa的压力下压制成直径为14 mm，厚度为2~3 mm的圆坯；

步骤（6）将压制好的圆坯烧结获得单晶，烧结的温度可以是1125至1135℃中的1125℃、1130℃或1135℃，烧结时保温时间为6 h以上。

步骤（7）经上述步骤获得的铌酸钾钠单晶处于陶瓷基体中，将铌酸钾钠单晶从陶瓷基体中取出即可得到纯的铌酸钾钠单晶。

本发明与现有技术相比的优点是：经实验证明，采用无籽固相晶体生长技术在不掺杂其他元素，特别是铋元素的情况下，通过改变K、Na的比例，按照Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅摩尔比为0.52:0.48:1可以制备纯的铌酸钾钠单晶。

附图说明

图1为实施例中步骤（7）制备的铌酸钾钠单晶样品；

图2为实施例中从陶瓷基体中取下的铌酸钾钠单晶；

图3为实施例中制备的铌酸钾钠单晶样品粉末的XRD图谱。

具体实施方式

本发明通过实施例对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限制。

实施例

铌酸钾钠单晶的制备方法包括如下步骤：

步骤（1）所用原料Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅在称量配料前均置于烘箱中烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为6 h；

步骤（2）按照摩尔比0.52:0.48:1称取K₂CO₃、Na₂CO₃和Nb₂O₅原料装入HDPE材质的球磨瓶中，以无水乙醇为介质球磨24 h；

步骤（3）将球磨后产物取出，烘干，压片，在750℃条件下预烧6 h；

步骤（4）然后以无水乙醇为介质二次球磨16 h后烘干；

步骤（5）将烘干的粉料过100目筛后，在100 MPa的压力下压制成直径为14 mm，厚度为3 mm的圆坯；

步骤（6）将压制好的圆坯在1130℃下保温21 h烧结；

步骤（7）经上述步骤获得的铌酸钾钠单晶处于陶瓷基体中，如图1所示，深色部分即为铌酸钾钠单晶，将铌酸钾钠单晶从陶瓷基体中取出即可得到纯的铌酸钾钠单晶，如图2所示。

将所得铌酸钾钠单晶样品进行分析，得到的铌酸钾钠单晶样品粉末的XRD图谱如图3所示。