CN106087058A - 一种K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁电压电单晶材料，具体是一种K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶及其制备方法。
背景技术
在无铅压电材料中，K0.5Na0.5NbO3基无铅压电陶瓷被认为是性能优异的体系之一。K0.5Na0.5NbO3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K0.5Na0.5NbO3基无铅压电单晶也有望获得更好的性能。由于Na2O和K2O在约900℃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K0.5Na0.5NbO3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K0.5Na0.5NbO3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K0.5Na0.5NbO3基无铅压电陶瓷掺杂改性的研究过程中发现：在K0.5Na0.5NbO3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K0.5Na0.5NbO3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10mm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.Randall,HanzhengGuo,GuanghuiRao,RongTu,ZhengfeiGu,Gang Cheng,Xinyu Liu,Jinwei Zhang,and YongxiangLi,Seed-Free Solid-State Growth of Large Lead-Free Piezoelectric SingleCrystals:(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：所制备的K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶的介电损耗较高。高介电损耗影响到K0.5Na0.5NbO3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
本发明的目的是提供一种K0.5Na0.5NbO3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、MnO2掺杂改性技术和退火处理技术，成功制备了xMnO2-(1–x)(99.6K0.5Na0.5NbO3-0.4LiBiO3)(0≤x≤0.005)铁电压电单晶。
实现本发明的具体技术方案如下：
步骤(1)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4～6h。
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。
步骤(3)将球磨后产物取出，烘干，然后在750℃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100MPa的压力下压制成直径为25mm，厚度为2～3mm的圆坯。
步骤(6)将压制好的圆坯在1100℃下保温21h烧结获得单晶。
步骤(7)将单晶取出，再置于氧气气氛下退火10h，即可制得xMnO2-(1–x)(99.6K0.5Na0.5NbO3-0.4LiBiO3)(x＝0-0.50at％)无铅压电单晶。
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℃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。
表1 0.25MnO2-99.75(99.6K05Na05NbO3-0.4LiBiO3)单晶样品的性能参数举例
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99.6K0.5Na0.5NbO3-0.4LiBiO3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K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶的压电常数和剩余极化强度最高达到d33＝693pC/N、Pr＝40.1μC/cm2，介电损耗为tanδ＝0.018。因此在铁电压电单晶领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1采用本发明方法制备的MnO2掺杂K0.5Na0.5NbO3-LiBiO3单晶相片
具体实施方式
实施例一：
步骤(1)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4～6h。
步骤(2)称取10.5513g Na2CO3、13.8700g K2CO3、0.0608g Li2CO3、53.0824g Nb2O5、0.0888g MnO2和0.3756g Bi2O3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℃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100MPa的压力下压制成直径为25mm，厚度为2～3mm的圆坯。
步骤(6)将压制好的圆坯在1100℃下保温21h烧结获得单晶。
步骤(7)将单晶取出，再置于氧气气氛下退火10h，即可制得0.25MnO2-99.75(99.6K0.5Na0.5NbO3-0.4LiBiO3)压电铁电单晶。
实施例二：
制备方法同实施例一，区别在于，步骤(7)将0.25MnO2-99.75(99.6K0.5Na0.5NbO3-0.4LiBiO3)晶体取出后，未经后续氧气退火处理。

Claims (3)

1.一种K0.5Na0.5NbO3基铁电压电单晶，其特征在于：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。
2.根据权利要求1所述K0.5Na0.5NbO3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4～6h；
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℃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100MPa的压力下压制成直径为25mm，厚度为2～3mm的圆坯；
步骤(6)将压制好的圆坯在1100℃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10h。
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