一种K_0.5Na_0.5NbO₃基铁电压电单晶及其制备方法

一种K_0.5Na_0.5NbO₃基铁电压电单晶及其制备方法
【专利摘要】本发明的目的是提供一种K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶，所述K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶以Li2CO3、Bi2O3和MnO2作为掺杂原料，以K0.5Na0.5NbO3为主体材料组成，化学式为：xMnO2?(1–x)(99.6K0.5Na0.5NbO3?0.4LiBiO3)，其中0≤x≤0.005。将所用原料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。按化学式成分质量比准确称量原料装入HDPE材质的球磨瓶中，以无水乙醇为介质球磨24 h。将球磨后产物取出，烘干，然后在750℃下预烧6 h。然后再以无水乙醇为介质球磨12~16 h后烘干。将烘干的粉料过100目筛后，在100 MPa的压力下压制成直径为25 mm，厚度为2~3 mm的圆坯。将压制好的圆坯在1100℃下保温21 h烧结获得单晶。将单晶取出，再置于氧气气氛下退火10 h。经实验证明，通过该方法制备的K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶具有优异的压电性能，因此在铁电压电单晶领域具有良好的应用前景。
【技术领域】
[000? ]本发明涉及铁电压电单晶材料，具体是一种K〇.5Na〇.5Nb〇3基铁电压电单晶及其制 备方法。 _种K〇.5Na〇.5Nb〇3基铁电压电单晶及其制备方法
【背景技术】
[0002] 在无铅压电材料中，KQ.5NaQ.5Nb0 3基无铅压电陶瓷被认为是性能优异的体系之一。 K0.5NaQ.5NbO3基陶瓷的压电性能不仅与掺杂成分有关，还与结晶取向密切相关，特别是单晶 体。通常，单晶的铁电、压电、介电等性能远远优于同类的陶瓷材料，因此K Q.5NaQ.5Nb03基无 铅压电单晶也有望获得更好的性能。由于Na 2O和K2O在约900 °C时便开始挥发，而传统的单晶 制备方法需要长时间在高温环境下生长，具有晶体生长速度缓慢、制备周期长的缺点。这导 致在生长Kq. 5Na〇.5Nb03基单晶过程中，不可避免的引起K和Na元素的挥发，从而引起晶体成 分不均匀、晶体结构缺陷难以控制、材料性能下降等。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K Q.5NaQ.5Nb03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。
[0003] 2009年，发明人在针对Ko. 5NaQ. 5Nb〇3基无铅压电陶瓷掺杂改性的研究过程中发现： 在Ko. 5NaQ. 5Nb03基陶瓷中引入微量含铋(Bi)元素的复合氧化物时，采用传统的陶瓷制备工 艺就可以在常规条件下制备出择优取向度极高的Ko. 5NaQ. 5Nb03基陶瓷，如果控制烧结温度 和保温时间还可以使晶粒继续长大，可以获得尺寸达到IOmm以上的带色透明单晶颗粒[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 · 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.]。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。
[0004] 现有技术存在以下问题:所制备的K〇.5Na〇.5Nb〇3基铁电压电单晶的介电损耗$父尚。 高介电损耗影响到K Q.5NaQ.5Nb03基晶体的铁电压电性能的准确测量以及晶体的工业应用。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是提供一种K〇.5Na〇.5Nb〇3基铁电压电单晶及其制备方法。本发明综 合采用了应用无籽固相晶体生长技术、MnO 2掺杂改性技术和退火处理技术，成功制备了 xMn〇2-(l-x)(99.6K〇.5Na().5Nb03-〇.4LiBi0 3)(0 彡 X彡 0.005)铁电压电单晶。
[0006] 实现本发明的具体技术方案如下：
[0007] 步骤（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] 步骤(2)按化学式成分质量比准确称量原料装入HDPE材质的球磨瓶中，以无水乙 醇为介质球磨24h。
[0009] 步骤(3)将球磨后产物取出，烘干，然后在750°C下预烧6h。
[0010] 步骤(4)然后再以无水乙醇为介质球磨12~16h后烘干。
[0011] 步骤(5)将烘干的粉料过100目筛后，在IOOMPa的压力下压制成直径为25mm，厚度 为2~3mm的圆还。
[0012] 步骤(6)将压制好的圆坯在IlOOtC下保温21h烧结获得单晶。
[0013] 步骤（7)将单晶取出，再置于氧气气氛下退火IOh，即可制得XMnO2-(I-X) (99 · 6K〇. sNao. SNbO3-O · 4LiBiO3) (X = 0-0 · 50at % )无铅压电单晶。
[0014]所得单晶再经以下处理后测试电性能：将单晶沿(002)晶面定向磨薄、抛光、披银 后，在100°C硅油浴中极化20min，极化电压2~3kV/mm，静止48小时后测试其性能。测试结果 见表1。
[0015]表1 〇 · 25Mn〇2_99 · 75(99 · 6KQ5NaQ5Nb〇3-〇 · 4LiBi03)单晶样品的性能参数举例
[0017]本发明的优点是:经氧气退火处理后，采用无籽固相晶体生长技术制备的MnO2掺 杂的99.6KQ.5NaQ.5Nb03-0.4LiBi0 3单晶获得了优异的压电性能。经实验证明，通过该方法制 备的KQ.5Na Q.5Nb03基铁电压电单晶的压电常数和剩余极化强度最高达到d33 = 6 9 3pC/N、Pr = 40. lyC/cm2，介电损耗为tanS = 〇. 〇 18。因此在铁电压电单晶领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0018] 图1采用本发明方法制备的Mn〇2掺杂KtL5NatL5NbO 3-LiBiO3单晶相片
【具体实施方式】
[0019] 实施例一：
[0020] 步骤（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] 步骤（2)称取 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装入HDPE材质的球磨瓶中，以无水乙醇为介质球磨24h。
[0022] 步骤(3)将球磨后产物取出，烘干，然后在750°C下预烧6h。
[0023] 步骤(4)然后再以无水乙醇为介质球磨12~16h后烘干。
[0024]步骤(5)将烘干的粉料过100目筛后，在IOOMPa的压力下压制成直径为25mm，厚度 为2~3mm的圆还。
[0025]步骤(6)将压制好的圆坯在1100 °C下保温21 h烧结获得单晶。
[0026] 步骤（7)将单晶取出，再置于氧气气氛下退火10h，即可制得0.25Mn〇2_99.75 (99.6K〇.5Na().5Nb〇3-〇.4LiBi〇3)压电铁电单晶。
[0027] 实施例二：
[0028] 制备方法同实施例一，区别在于，步骤（7)将 Ο. 4LiBi03) 晶体取出后 ，未经后续氧气退火处理。
【主权项】
1. 一种KQ.5Nao.5Nb03基铁电压电单晶，其特征在于:所述K Q.5Nao.5Nb03基铁电压电单晶以 Li2C03、Bi2〇3和Μη02作为掺杂原料，以K Q.5Na〇.5Nb03为主体材料组成，化学式为:χΜη0 2-(1-χ) (99.61(。.5恥。.5他03-0.41^8103)，其中0彡叉彡0.005。2. 根据权利要求1所述Ko. 5Nao. 5Nb03基铁电压电单晶的制备方法，其特征在于包括以下 步骤： 步骤（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~诎； 步骤(2)按化学式的成分质量比称量原料装入HDPE材质的球磨瓶中，以无水乙醇为介 质球磨24h; 步骤(3)将球磨后产物取出，烘干，然后在750°C下预烧6h; 步骤(4)然后再以无水乙醇为介质球磨12~16h后烘干； 步骤(5)将烘干的粉料过100目筛后，在lOOMPa的压力下压制成直径为25mm，厚度为2~ 3mm的圆还； 步骤(6)将压制好的圆坯在1100°C下保温21h烧结获得单晶。3. 根据权利要求2所述制备方法，其特征在于:在所述步骤(6)之后，进行步骤(7)将单 晶取出，再置于氧气气氛下退火l〇h。
【文档编号】C30B29/30GK106087058SQ201610462327
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】江民红, 张津玮, 顾正飞, 成钢
【申请人】桂林电子科技大学